Science：首例蛋白质催化C-Si键的形成，将C-Si键引入生命体成为可能

碳和硅在自然界中有很多种存在形式，但是含有C-Si键或可以催化形成C-Si键的生物分子却至今没有被发现，传统的C-Si键合成的研究在过去的几十年里已经日趋成熟，其中一个典型的不对称手性C-Si键合成方法就是过渡金属催化Si-H键的卡宾插入反应，比较高效的催化剂有铜、铱、铑等，再配合使用手性配体，可以得到几乎纯的对映体。但是这种方法也有一些缺点，像卤代溶剂的使用、低温操作以及有限的转换数等（通常是低于100）。而酶催化通常条件温和、高效且具有选择性，近日加州理工学院（Caltech）的Frances H. Arnold课题组发现了首例可以催化C-Si键形成的蛋白质，通过蛋白质的定向进化，可以催化Si-H键的卡宾插入反应，产物具有近乎完美的立体选择性，这种方法比传统的金属催化剂高效15倍。这项工作也入选了美国化学会C&EN刚刚评选出的“2016年顶级科研成果”（点击阅读详细）。

在此项工作之前，酶催化N-H、S-H键的卡宾插入反应已有过报道，通过蛋白质的定向进化获得了很高的选择性。受此启发，Arnold等人提出可以使用血红素蛋白进行Si-H的卡宾插入反应。底物分别是苯基二甲基硅烷和2-重氮丙酸乙酯，在中性条件室温条件下，作者对一系列血红素蛋白进行了筛选，结果如下图A右，结果显示一种来自冰岛海底温泉的耐高温细菌Rhodothermus marinus的细胞色素C（Rma cyt c）可以催化该反应，并且ee值高达97%，这表明反应发生在一个具有高立体结构特异性的环境中。下图B中显示了野生型Rma cyt c蛋白质的晶体结构，其中heme坐落于一个憎水的空腔，铁离子分别与一个近端的组氨酸（H49）和远端的甲硫氨酸（M100）配位，作者认为甲硫氨酸在配位上是不稳定的，如果将其替换，便很有可能找到一个更高效的C-Si键形成的蛋白质催化剂。

图1. A左) Si-H键插入反应的底物以及产物；右）血红素蛋白催化剂以及相应的反应周转数和反应手性选择性  B) 野生型Rma cyt c蛋白质的surface模型和晶体结构。图片来源：Science

接着作者便通过蛋白质定向进化的方法，形成了三种突变型蛋白M100D、V75T M100D和V75T M100D M103E，并用这三种突变型蛋白进行了上述实验。结果显示，V75T M100D M103E可以将ee值提高到99%，并且转换数高达1500，这比传统的金属催化剂高了15倍多。

图2. 血红素蛋白催化 Si-H键插入反应的机理。图片来源：Science

图3. 野生型蛋白和三种突变型蛋白M100D, V75T M100D 和V75T M100D M103E的酶活性。图片来源：Science

更令人咋舌的是，这种蛋白质催化剂可以应用到更多底物中。下图中所有的反应中，作者几乎都能获得纯的单一对映体。

图4. Rma cyt c V75T M100D M103E蛋白质催化C-Si键形成的底物适用性实验。图片来源：Science

—— 总结 ——

文中报道了首例蛋白质催化C-Si键的形成，对蛋白质的简单的突变便可以提高反应的转换数以及手性选择性，并且这种催化剂的适用范围非常广，这一发现拉近了生物催化和化学催化的距离，使得含有C-Si键的生物分子甚至生命体成为可能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

http://science.sciencemag.org/content/354/6315/1048

Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life

Science, 2016, 354, 1048-1051, DOI: 10.1126/science.aah6219

（本文由PhillyEM供稿）

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