项目名称：双功能分子协同 P450 过氧化酶系统的创制与催化应用

获奖者：丛志奇、陈杰、姜谊平、赵盼霞

项目摘要：

  细胞色素P450单加氧酶作为生物系统中最重要的氧化酶之一，能高选择性催化多种类型氧化反应, 是公认的有巨大合成应用潜力的多功能生物氧化催化剂，然而其体外催化应用却一直受到还原辅酶NAD(P)H及其复杂电子传递链的限制；另外碳-氢键的选择氧化是当前国际前沿领域之一，其主要挑 战在于如何对反应的化学选择性、区域选择性和立体选择性进行精确控制。本项目针对上述关键科学问题，在国际上首次提出“双功能小分子协同P450酶催化”概念，将P450从单加氧酶改造为过氧化酶 模式，结合酶工程技术，创制了一系列新颖的双功能分子协同P450过氧化酶催化体系，实现了高效催化气态烷烃分子选择性羟化、木质素单体化合物脱甲基化、高度对映选择性环氧化等高难度氧化反应，为碳-氢键选择氧化这一世界科学难题提供了独特解决方案，取得主要成果如下：

  1）提出外源双功能分子协同P450酶催化新策略，阐明了双功能分子协同P450催化的结构基础和催化机理，构建了双功能小分子协同P450过加氧酶系统，解除了还原辅酶NADPH及复杂还原伴侣蛋白对P450酶体外催化应用的限制，为基于P450开发实用生物催化剂开辟了有别于仅依赖传统酶工程技术的新途径和手段（代表性论文1、5）。

  2）结合酶工程技术，开发出一系列基于双功能小分子协同P450催化的新型人工生物酶催化剂，比如首个以过氧化氢为末端氧化剂的具有高度化学选择性的人工P450丙烷羟化酶——目前为止催化转化频率最高、高效(R)-对映选择性的苯乙烯及其衍生物的P450环氧化酶(ee: 99%)，高度区域选择性的木质素单体化合物P450脱甲基化酶、分别为解决碳-氢键氧化的三大选择性控制难题提供了独具特色的新方案（代表性论文3、4）。

  3）通过机理指导的蛋白质工程，成功拓展了双功能小分子协同P450催化体系的过氧化物酶功能，其催化活性高于已报道的P450过氧化物酶，高于大部分天然过氧化物酶，大大拓宽了双功能小分子促进的P450-H2O2体系的催化功能和应用潜力，同前述构建的人工P450过加氧酶一起构成了完整的双功能分子协同P450过氧化酶人工生物催化新体系，对拓宽P450酶化学应用空间具有重要意义（代表性论文2）。

  项目执行期间，完成青岛市创新领军人才项目，国家自然科学基金面上项目以及中科院和青岛能源所的多个科研任务，在Angewandte Chemie、ACS Catalysis、Chemical Science等国际知名期刊以 Very Important Paper、封面和扉页文章等形式发表论文10余篇，其中代表性论文1、2、4分别被ChemistryViews、Natural Product Reports、Faculty Opinions等国际学术组织和国际权威期刊作为研究亮点/热点报道。

  本项目研究成果得到国际同行的充分肯定，在Nature Catalysis、Angewandte Chemie、Accounts Chemical Research、ACS Catalysis等国际权威期刊发表的文章中给予高度评价和正面引用，其中代表性论文1和5分别被国际顶尖科学家作为领域内主要文献在Nature Catalysis和Accounts Chemical Research发表的重要综述论文中做详细阐释和积极评价。由于研究成果引起国际同行的极大关注和兴趣，项目组近来与荷兰代尔夫特理工大学、奥地利格拉茨大学、德国杜塞尔多夫大学、日本名古屋大学等国际知名的相关研究小组建立了良好的合作关系。本项目既具有重要的创新学术研究价值，又具有广阔的潜在应用前景。