带有α-官能团的手性羧酸是很多药物和天然产物的重要中间体或者结构砌块。目前已经有很多制备含α-官能团的手性羧酸的合成方法。通常的化学合成法需要用到过渡金属催化剂和复杂的手性配体。与化学法相比，生物催化可以以更加绿色和可持续的方式制备这一类重要的手性化合物。例如酮还原酶和亚胺还原酶都已经成功地用于从α-酮酸到α-羟基/氨基酸的转化，此外水解酶催化的酯或者酸的动力学拆分也是广泛使用的方法。然而这些生物催化方法通常需要辅因子的参与或者将酸提前制备为相应的酯或酰胺化合物。因而探索更加简单高效且不需辅因子的新型生物催化方法制备含α-官能团的手性羧酸显得极为重要。
浙江大学化学系的吴起课题组最近报道了一种利用光脱羧酶来高效拆分含α-官能团的外消旋羧酸的新方法。他们选择了一种来源于小球藻（Chlorella variabilis）NC64A的脂肪酸光脱羧酶（CvFAP）作为催化剂，以2-羟基辛酸的脱羧反应为模型开展研究。CvFAP可将不同链长（C12-C22）的脂肪酸在无任何辅助因子的作用下脱羧生成相应的烷烃或者烯烃。他们设想CvFAP的催化空腔可能对外消旋酸具有立体选择性，从而可以利用脱羧反应来实现外消旋羧酸的手性拆分。然而，研究发现野生型CvFAP的催化活性较差，12小时光照反应后只有20%的底物转化率，底物的对映体过量值（ee）只有22%。为了解决该问题，他们对CvFAP进行了蛋白质工程化改造。
定向进化中无论是随机突变还是饱和突变，突变株筛选的工作量都非常庞大。因此，他们在文章中采用了基于“大氨基酸扫描”策略的理性设计方法，结合CvFAP酶的晶体结构，选择了A384、L386和G462三个位点，将原有位点的氨基酸通过定点突变替换为包括Q、K、F和Y在内的大体积氨基酸。筛选结果发现突变株G462Y最好，可以在51%的转化率下获得99%ee值的R-构型底物。动力学测试结果表明G462Y突变株的活性相比野生型提高了30倍。进一步研究发现G462Y突变株具有较广泛的底物谱，一系列具有C6-C12不同链长或者具有不同取代基的α-羟基酸、以及α-氨基酸都能获得良好的手性拆分结果。分子动力学模拟发现在C462Y突变株中，活性位点周围的一些氨基酸有助于稳定R-构型底物，阻止它靠近FAD辅因子；而S-构型底物则与FAD中的N5原子具有更小的距离，从而使得S-构型羧酸底物更容易发生脱羧反应。
该研究第一次实现了光脱羧酶CvFAP的立体选择性脱羧反应，为手性羧酸的合成提供了一种新的方法，有望在制药、绿色有机合成等领域中获得重要的应用。
这一成果近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。该文章的第一作者是浙江大学化学系的博士生徐鉴，通讯作者为吴起副教授。
Light‐Driven Kinetic Resolution of α‐Functionalized Carboxylic Acids Enabled by an Engineered Fatty Acid Photodecarboxylase
Jian Xu, Yujing Hu, Jiajie Fan, Mamatjan Arkin, Danyang Li, Yongzhen Peng, Weihua Xu, Xianfu Lin, Qi Wu
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 8474-8478, DOI: 10.1002/anie.201903165
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