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）。
2016-2019年，博后期间前往诺奖得主Frances H. Arnold课题组，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）
2022年，他，约翰霍普金斯大学化学系助理教授Huang Xiongyi，以通讯作者的身份在《 Science》上发表了重磅结果：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。
今年，Huang Xiongyi教授课题组连发《Nature Catalysis》与《Nature Synthesis》。
生物催化的最新进展扩大了自然催化能力的范围，包括没有生物等效物的合成转化。然而，这些新引入的催化功能仅代表合成催化中使用的反应的一小部分。
在这里，约翰霍普金斯大学化学系助理教授Huang Xiongyi 、卡耐基梅隆大学助理教授Guo Yisong 、西班牙计算化学与催化研究所研究员Marc Garcia-Borràs联合报告了提出了一个生物催化平台，结合了光氧化还原和金属酶催化，用于对映选择性自由基转化。在绿光照射下，曙红Y光催化剂使4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶催化N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯的对映选择性脱羧叠氮化和硫氰化。通过定向进化获得的最终优化变体可以提供多种手性有机叠氮化物和硫氰酸酯化合物，产率高达77%，总转换数为385，对映体过量为94%。机理研究表明，曙红Y催化剂介导C(sp 3)自由基和Fe(III)−N3/Fe(III)−NCS中间体的生成，从而在酶中有效形成对映选择性C−N3和C−SCN键活跃站点。这些发现建立了一个适应性强的生物催化平台，用于将非生物金属光氧化还原催化引入生物学。相关研究成果以题为“Merging photoredox with metalloenzymatic catalysis for enantioselective decarboxylative C(sp3)‒N3 and C(sp3)‒SCN bond formation”发表在最新一期《 Nature Catalysis》上。
【脱羧功能化光生物催化平台的设计】
作者首先描述了现有的用于彻底转变的金属光氧化还原策略，包括用于自由基生成和键形成的合成光催化剂（图1a）。用于非生物自由基转化（例如自由基中继和环化反应）的工程天然金属酶的示例（图1b）。图1c突出显示天然金属酶使用的反应中间体，例如高价金属氧物种和SAM依赖性自由基。作者将光氧化还原与金属酶催化相结合，建立能够进行光酶自由基转化的混合催化循环（图1d）。在优选的机理中，曙红Y光氧化还原催化剂将Fe(II)氧化为Fe(III)，生成Fe(III)-N3或Fe(III)-SCN中间体，从而实现自由基捕获和功能化（图1e）。
图 1. 用于脱羧功能化的光生物催化平台的设计
【初始活性发现和定向进化】
作者筛选了20种非血红素铁酶与底物1-NHPI的相容性，在光照射下用各种光氧化还原催化剂测试了六种酶。SavHPPD（4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶）和曙红Y的组合显示出最有希望的初始活性。其他非血红素铁酶，例如羟基扁桃酸合酶（HMS），效果较差。通过定向进化获得的关键SavHPPD变体(P1-P4)。突变体P3和P4表现出更高的催化活性（300TTN）和对映选择性（分别为90:10和94:6er）。在优化条件下，该组合实现了140次总周转率(TTN)，且具有适中的对映体比(70:30e.r.)。
图 2. 最初的活性发现和定向进化
【光生物催化脱羧叠氮化和硫氰化的底物范围】
作者通过调整光照强度、酶和底物浓度、缓冲体系来优化反应的产率、选择性和底物兼容性：（1）叠氮化反应显示，该酶有效地将多种底物（包括苯基和苯并稠合碳环）转化为手性叠氮化物。主要观察结果包括：具有吸电子基团（例如卤素）的底物表现良好。由于活性位点的限制，空间位阻（例如异丙基或三氟甲基）降低了反应性，来自1°、2°和3°碳中心的脂肪酸也会发生反应，尽管TTN和er有所降低。（2）硫氰化反应：用硫氰酸酯（SCN⁻）取代叠氮化物，产生脱羧硫氰化产物。硫氰化产物表现出中等的对映选择性（56:44–78:22er）。该反应成功地扩大到制备规模，产生保留选择性的产物。
图 3. 光生物催化脱羧叠氮化和硫氰化的底物范围
【机理研究】
他们通过电子顺磁共振(EPR)、Stern-Volmer猝灭和MD模拟提供了机理见解。图4a展示外消旋底物(R)-和(S)-1-NHPI向(S)-叠氮化产物的对映转化。EPR研究显示Fe(III)中间体的光依赖性积累，特别是在1-NHPI存在的情况下（图4b）。Stern-Volmer猝灭实验证实了曙红Y和Fe(II)中心之间的电子转移是由酶接近促进的（图4c）。分子动力学(MD)模拟表明，曙红Y结合在Fe(II)活性位点附近，从而实现有效的电子转移（图4d）。突变（例如，V189A和Q255A）扩大了活性位点，适应更大的底物（图4e）。MD模拟显示基板自由基排列用于si面叠氮化物转移，从而实现高立体控制（图4f）。这些发现支持催化循环，其中曙红 Y 启动电子转移，将 Fe(II) 氧化为 Fe(III)，然后在活性位点形成自由基并捕获。
图 4. 机理研究
【总结】
本文提出了一种适应性策略，通过将光氧化还原驱动的自由基生成与非血红素铁酶介导的对映选择性自由基捕获相结合来开发对映选择性酶促转化。利用这种方法，非血红素铁酶 SavHPPD 被重新调整用途，通过 NHPI 酯的光脱羧作用（在曙红 Y 光催化剂的促进下）催化脱羧叠氮化。通过将该平台应用于脱羧硫氰化反应，进一步证明了该平台的多功能性，通过用硫氰酸盐代替叠氮化物作为转移配体来实现。机理研究表明，该反应通过光激发的曙红 Y 将 Fe(II) 中心初步氧化为 Fe(III)，然后进行第二次 SET，从还原的曙红 Y 氧化为 NHPI 酯，产生 C(sp 3) 自由基。光催化剂与蛋白质表面的结合促进了这一过程，将其定位在铁中心的 20 Å 范围内，以实现长距离电子转移。可以预计，这种光酶方法将通过将合成光氧化还原催化的多种自由基生成方法与金属酶的多功能性和适应性结合起来，在生物催化中具有广泛的应用。
来源：高分子科学前沿
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