Science:新的化学工艺使制造自然界中不存在的氨基酸变得更容易

　　化学家们描述了一种强大的新方法，可以制造出“非天然”氨基酸，这种氨基酸可以用于蛋白质治疗，并开辟有机化学的新分支。

　　

你体内的每一种蛋白质都是由相同的20种氨基酸组成的。但是，仅仅因为大自然的工具箱有限，并不意味着人类不能扩展它。

7月27日发表在《科学》杂志上的一项研究，由包括皮特大学化学家在内的一个团队描述了一种制造“非天然”氨基酸的强大新方法，这种方法可以用于基于蛋白质的疗法，并开辟有机化学的新分支。

“这是一个全新的转变:对自然和化学都是全新的，”肯尼斯·p·迪特里希艺术与科学学院(Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences)的化学教授、论文的通讯作者刘鹏说。“让一种酶创造一种氨基酸的非自然结构是不寻常的，你必须通过仔细的生物工程来做到这一点。”

只要改变一个更大的蛋白质的一小部分，你就可以改变它的形状和功能——因此，非天然氨基酸有望开辟新的治疗方法，比如利用蛋白质或它们的小表亲的抗生素或免疫抑制剂。

然而，在实验室中制造这样的分子是一个繁琐的、多步骤的过程:当研究人员对分子的其余部分进行化学转化时，相互连接形成蛋白质链的氨基酸片段必须得到保护。然而，这篇新论文中描述的反应更简单、更有效，它为化学家提供了前所未有的控制水平，可以控制分子中原子团的取向。

它还以一种不同寻常的方式使用了一种化学工具，一种PLP酶。酶是催化反应的蛋白质——通常情况下，即使它们的功能被生物工程改变了，它们所能做的就是加速已知的化学过程，而化学家可以用其他方法实现这些过程，尽管速度较慢。但与一种光敏分子催化剂配对，这种酶在这种新反应中的作用远不止于此。

“你可以说生物工程酶比小分子催化剂提供了更好的效率，但它们催化的反应是一样的，”刘说。“但这是一种全新的反应。它以前根本不存在。”

Liu的团队使用计算机模拟来计算原子和电子水平的化学反应中发生的复杂舞蹈，并将“为什么”添加到进行实验的团队发现的“什么”中。在这篇论文中，刘和皮特博士后研究员Binh Khanh Mai(图左)与杨洋领导的加州大学圣巴巴拉分校的一个研究小组合作——自2014年以来，这一合作一直很密切，当时杨作为访问研究生在刘的实验室度过了一个夏天。

刘和麦深入研究了杨的研究小组提供的数据，以了解反应是如何以及为什么发生的，并找出了化学家看不见的中间步骤。在一个步骤中，二人特别仔细地观察了电子在两个分子之间的路径上必须行进异常长的距离。刘说:“我们必须对这种可能性做一些仔细的建模，因为这是自然界的新步骤，它支持整个反应机制。”

支撑这些模型的是巨大的计算能力。刘认为皮特的研究计算中心是实验室成功的一个重要因素，因为该小组为理解化学反应的复杂性而进行的复杂模拟需要尖端、强大的超级计算机的时间。

即便如此，仍有一些问题没有得到解答，而这篇论文只是两个团队之间一系列合作的第一步。如果他们能更好地理解为什么会发生这种不寻常的反应，刘的团队可能会在不同的环境中利用它来创造各种各样的新化学工具、药物等等。

刘说:“你可以想象你可以制造多少种不同类型的非天然氨基酸——数量几乎是无限的。”“那么，我们是否也可以利用这种见解来开发其他新的反应?”

Journal Reference:

1. Lei Cheng, Dian Li, Binh Khanh Mai, Zhiyu Bo, Lida Cheng, Peng Liu, Yang Yang. Stereoselective amino acid synthesis by synergistic photoredox-pyridoxal radical biocatalysis. Science, 2023; 381 (6656): 444 DOI: 10.1126/science.adg2420

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University of Pittsburgh. "New chemical process makes it easier to craft amino acids that don't exist in nature." ScienceDaily. ScienceDaily, 31 July 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230731144129.htm>.

University of Pittsburgh. (2023, July 31). New chemical process makes it easier to craft amino acids that don't exist in nature. ScienceDaily. Retrieved July 31, 2023 from www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230731144129.htm

University of Pittsburgh. "New chemical process makes it easier to craft amino acids that don't exist in nature." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230731144129.htm (accessed July 31, 2023).