读博就发Science！
他，2010年9月本科毕业于中国科学技术大学，师从傅尧教授、石景副教授；2016年4月博士毕业于普林斯顿大学，师从John T. Groves院士。在博士期间，就开发出了锰催化仿生C–H功能化方法，相关成果以“Oxidative Aliphatic C-H Fluorination with Fluoride Ion Catalyzed by a Manganese Porphyrin”为题，发表在Science上。（Science, 2012, 337(6100):1322-1325.，第二作者）。
博士后期间正刊三连！
2016-2019年，前往诺奖得主Frances H. Arnold课题组，开展博士后研究，利用定向进化来设计酶来催化生物学中以前不存在的反应。
2017年，他开发出第一个用于碳-硼键形成的酶促系统，相关成果以“Genetically programmed chiral organoborane synthesis”为题，发表在Nature上（Nature, 2017, 552(7683):132-136.，共同一作）。
2018年，又一次惊艳世界，通过对细胞色素P450的酶系列做了进一步的定向进化，使之能够轻松、简洁、大量地合成传统有机合成实验室难以合成的高张力有机碳环体系——双环丁烷和环丙烯。相关论文以“Enzymatic construction of highly strained carbocycles”为题，发表在Science上。（ Science, 2018, 360(6384):71-75，第二作者）
同年，利用酶的定向进化策略，再次做出了“超乎想象”的反应。他们通过对细胞色素P450的定向进化得到改造酶，可以高效催化通过卡宾碳氢插入进行的选择性sp3碳氢键分子间烷基化反应，再次证明了定向进化技术的强大功能和极其广泛的应用前景。相关成果以“Enzymatic assembly of carbon–carbon bonds via iron-catalysed sp3 C–H functionalization”为题，发表在Nature杂志（Nature, 2019, 565, 67–72，第三作者）。
最近又有新突破！金属酶催化，登上《Science》！
将非生物化学转化引入天然蛋白质，代表了一种强有力的方法，这意味着可以将酶催化推进到自然进化未探索的反应领域。该策略使酶重编程能够在区域选择性和对映选择性上实现具有挑战性的合成反应，同时保持遗传可调性。代表性的例子：血红素和非血红素金属酶以介导卡宾和氮烯转移反应，重新编程黄素酶以进行光氧化还原催化，以及重新配置碳酸酐酶以进行金属氢化物化学。尽管取得了这一进展，但有机合成中的大多数反应都没有已知的生物学对应物，并且赋予这些转化能力的机制并不是由自然界在自然进化过程中开发的。为了释放酶在现代化学合成中的全部潜力，将合成化学中的基本反应模式引入生物学的催化库至关重要。
鉴于此，来自约翰霍普金斯大学化学系助理教授HuangXiongyi、卡耐基梅隆大学助理教授GuoYisong、西班牙计算化学与催化研究所研究员Marc Garcia-Borràs联合报告了通过铁催化自由基中继对非血红素铁酶进行重编程以催化非生物C(sp3)-H叠氮化反应。这种生物催化转化使用酰胺自由基作为氢原子吸收剂，使用Fe(III)-N3中间体作为自由基捕获剂。作者建立了一个基于点击化学的高通量筛选平台，用于快速进化已识别酶的催化性能。最终优化的变体提供了一系列叠氮化产品，总周转率高达10600次，对映体超过93%。鉴于有机合成中自由基中继反应的普遍性和非血红素铁酶的多样性，作者设想这一发现将刺激金属酶催化剂的未来发展，用于自然进化未探索的合成有用的转化。相关研究成果以题为“Directed evolution of nonheme iron enzymes to access abiological radical-relay C(sp 3)−H azidation”发表在最新一期《Science》上。Rui Jinyan、Zhao Qun和Anthony J. Huls为论文的共同一作。
【实验设计】
总体设计原则：与合成金属催化反应共享机理元素的天然金属酶将对有机合成反应表现出混杂活性，从中可以进化出新的催化功能。作者设想非血红素铁酶可以重新编程以执行自由基中继C-H官能化。金属催化自由基中继的定义特征是使用活性自由基(X•)通过氢原子转移(HAT)激活C(sp3)-H键，并通过氧化还原活性金属络合物（图1A）。该过程在机制上类似于非血红素铁卤化酶催化的C(sp 3)-H卤化反应，其中铁(IV)-氧代络合物通过HAT激活底物，铁(III)卤化物/叠氮化物中间体拦截底物自由基形成碳-卤素/叠氮键（图1B）。受到这种机制相似性的启发，作者提出非血红素铁酶可以通过在Fe(II)中心的初始底物活化来介导自由基传递过程，以产生HAT的反应性酰胺基自由基并随后转移Fe(III)结合碳中心自由基的配体（图1C）。这种新的生物催化反应通过涉及FeII/FeIII氧化还原对的氧化还原中性途径进行，这为非血红素铁酶的天然FeII/IV催化循环提供了一种补充方法，用于C-H功能化。
图1. 通过金属催化自由基中继的酶促C-H功能化的概念化
【非血红素铁酶的定向进化】
作者通过定向进化来提高Sav HppD的性能，通过使用基于铜催化叠氮化物-炔烃环加成（CuAAC）的高通量筛选（HTS）平台，评估了 5000 多个通过易错聚合酶链反应 (PCR) 或位点饱和诱变产生的克隆（图2B、2C），最终确定了两种变体。
图 2. 用于自由基-中继C-H叠氮化的非血红素铁酶的定向进化
【底物拓展】
作者优化了反应条件并分析了一系列N-氟酰胺底物，以探索该反应的范围和局限性（图3A）。在更大规模的反应中，Sav HppDAz1在120mg规模下以65%的分离产率提供1N，且对映选择性不降低（图3B）。作者进一步以制备规模生产了初级有机叠氮化物11N，随后通过CuAAC反应将其转化为雌酮衍生物18（图3C）。这种化学酶促两步合成以55%的分离产率产生了三唑产物19，证明了该平台在与生物相容性反应串联使用时产生高度功能化分子的潜力。
图 3. 铁催化自由基中继酶促C-H叠氮化的底物范围和合成应用
【机理研究与理论计算】
紫外吸收光谱与EPR效应表明N3和1NF都与Sav HppD Az1的Fe(II)中心相互作用（图4A）。为了证明Fe(III)-N3物质参与反应，作者培养了Sav HppD Az1•Fe(II)•N 3与缺少反应性苄基C-H键的N-氟酰胺18NF。通过以505nm为中心的光学吸收观察到红色物质的缓慢积累（图4B），这可能源于Fe(III)-N3配体-金属电荷转移带。作者进一步进行了计算建模以了解该反应的分子基础，专注于对映选择性变体Sav HppD Az2，MD模拟显示V189A和P243G在活性位点产生更多空间来容纳铁结合的叠氮化物（图4C）。模型DFT计算（图4D）表明初始N-F激活步骤（ΔG‡（TS3-N1）=17.2 kcal·mol-1）是速率限制的，随后是快速1,5-HAT（ΔG‡(TS2)=3.9 kcal·mol-1)到N中心自由基。该机理方案类似于铁催化的氟酰胺定向氟化中报道的方案，并且与通过测量与1NF和1NF- d2反应的独立初始速率不存在动力学同位素效应一致。
图 4. 酶促自由基中继C-H叠氮化的光谱和计算研究
【作者简介】
Yisong Guo, 卡耐基梅隆大学助理教授。通过利用先进的光谱技术，如顺磁共振、核吸收和基于同步辐射的方法，郭教授领导的课题组正试图从分子水平上深入了解金属蛋白内金属中心催化的生物能量转换机制。
Marc Garcia-Borràs，西班牙计算化学与催化研究所（IQCC (UdG)） 的独立首席研究员，专注于用于发现和设计新酶活性的生物催化中间体。
Xiongyi Huang, 约翰霍普金斯大学化学系助理教授。该团队利用惊人的金属酶库存中蕴藏的巨大合成潜力，为化学和生物学前沿的突出问题提供解决方案，通过使用整合有机合成、化学生物学、蛋白质工程、生化分析和计算建模的跨学科方法，对金属酶进行重新编程，以进入其当前催化库之外的反应空间。
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来源：高分子科学前沿，部分资料参考X-MOL资讯、约翰霍普金斯大学等
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