选择性氧官能化是构建天然产物及药物分子的关键反应。酶催化的氧官能化以其高效、高选择性和条件温和等优势备受关注。作为该领域的“明星酶”，细胞色素P450酶（CYP450）虽被广泛研究，但因自身稳定性不足和依赖氧化还原伴侣等特性，使其在工业化生产中面临诸多限制。同为血红素依赖型金属酶，非特异性过氧化物酶（UPOs）不仅催化特性媲美于CYP450，更兼具稳定性高、催化活性强以及直接利用过氧化氢等优势，在工业应用中展现出巨大潜力。然而作为真菌来源的分泌型酶，天然存在的UPOs种类有限以及其酶工程改造面临的技术瓶颈，阻碍了该酶催化潜力的扩展以及在工业生产中更广泛的应用。 β-酮酸酯的不对称α-羟基化反应是构建重要手性α-羟基-β-二羰基结构单元的一种高效合成策略。传统化学催化方法通常面临昂贵手性催化剂、有毒氧化剂和苛刻反应条件等问题。针对这一挑战，四川大学贾知军团队通过对黑曲霉来源的非特异性过氧化物酶（AniUPO）进行系统性酶工程改造，成功实现了一类生物催化领域尚未实现的β-酮酸酯的高效不对称α-羟基化反应，从而拓展了该类酶在氧官能团化反应中的应用边界，为其产业化应用奠定了基础。该酶催化体系兼容多种β-酮酸酯底物，能以优异的产率（最高97%）和对映选择性（最高>99:1 er）获得各种α-羟基化产物。
作者首先筛选到一类来自Aspergillus niger的AniUPO，其对β-酮酸酯底物展现出最佳初始活性。随后，通过对AniUPO进行3轮酶工程改造获得突变体AniUPO-M3，可将六元环底物的反应活性提高52倍，er值达96:4。进一步改造AniUPO-M3获得了突变体AniUPO-M6，可将五元环底物的反应活性提升5倍，er值达96:4。随后，作者将优势突变体的基因整合至毕赤酵母基因组中，并成功实现了10 L发酵罐规模的酶高效表达。优化反应条件后，该非天然酶对五/六/七元环及线性β-酮酸酯底物均展现出良好兼容性，最高可达97%收率，4140 TTN，>99:1 er。制备级反应和应用研究展现出工程化AniUPO变体的巨大工业应用潜力。 综上，这项研究通过系统性挖掘和改造UPOs，成功开发了酶促β-酮酸酯的不对称α-羟基化反应。该生物催化体系展现出优异的催化性能、广泛的底物适用性以及良好的可规模化潜力。本研究不仅创新性的解决了传统化学转化中面临的苛刻条件依赖和昂贵氧化剂需求等关键难题，更拓展了UPOs在选择性氧官能化反应中的应用边界，为手性α-羟基β-酮酸酯的绿色合成开辟了全新的生物催化技术路径。 论文信息 Engineering Unspecific Peroxygenases for Enantioselective α-Hydroxylation of β-Ketoesters Zhen-Yu Wang, Xin-Yuan Ma, Ying Wu, Yang Liu, Guang-Xin Lin, Xiao-Qi Liu, Prof. Dr. Chun Zhang, Dr. Peng Chen, Prof. Dr. Yongxiang Zheng, Prof. Dr. Zhi-Jun Jia Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202509359
