近日，我校生命科学与生物制药学院、功能食品与葡萄酒学院及医疗器械学院多学科交叉团队——宋永波/徐慰倬/张景海团队在细胞色素P450酶工程与催化机制研究方面取得重要进展，成功实现了结构多样化甾体的高效、高选择性绿色羟基化。相关研究成果以“Computational Redesign and Mechanistic Insights into P450BM3 Enable Regioselective C−H Hydroxylation of Structurally Diverse Steroids”为题发表于国际催化领域顶级期刊《ACS Catalysis》。

甾体化合物是众多高价值药物的核心骨架，其生物活性高度依赖于特定位置和构型的羟基化修饰。然而，对结构复杂、官能团密集的甾体分子进行高效、精准的区域和立体选择性羟基化，一直是化学合成与生物催化领域的重大挑战。传统化学催化剂常受限于空间位阻和官能团兼容性问题，而天然P450酶虽具催化潜力，但对其非天然底物（如甾体类化合物）往往表现出活性低和选择性差等问题。

针对这一难题，研究团队创新性地开发了一套“近进攻构象（NAC）”引导的计算-实验一体化工程框架。该策略深度融合Rosetta酶设计、分子动力学（MD）模拟和量子力学/分子力学（QM/MM）计算，成功对P450BM3亲本酶LG23实施精准改造和迭代优化。研究不仅实现了对诺龙、雄二烯二酮等四种小体积甾体95%以上的转化率和超过90%的7β-选择性，更关键的是，通过重塑底物通道（如W330L突变）和调控活性口袋极性（如S88L/T突变），将孕酮等两种含大位阻C17取代基甾体的转化率从不足6%大幅提升至80%以上，并实现了严格的15β-选择性。

在优化的生物转化条件下，团队将雄二烯二酮（ADD）的7β-羟基化产物产量提升至645.4 mg/L，达到目前文献报道的领先水平。更为重要的是，通过深入的机制解析，研究首次揭示了远端残基S88通过一个保守的水分子介导的氢键网络远程调控区域选择性的“分子开关”机制，为P450酶的理性设计提供了普适性的新范式。

该工作不仅为高价值羟基化甾体药物的绿色、高效、规模化生产提供了高性能生物催化剂，所建立的“机制解析–计算设计–实验验证”的循环研究策略也为其他复杂分子的选择性C-H官能化提供了可借鉴的设计蓝图，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

我校2021级博士研究生叶齐为论文的第一作者，宋永波教授、徐慰倬副教授和张景海教授为共同通讯作者，沈阳药科大学为第一通讯单位。该研究获辽宁省科学技术项目以及横向课题等项目的资助。

原文链接: https://doi.org/10.1021/acscatal.5c08382