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酶是以率和高選擇性而著稱的天然生物催化劑，它是大自然zui精巧的創(chuàng)造之一。不過的酶原本是服務于生命體系的，催化反應的種類有限。人工合成的催化劑當然應用范圍更廣，不過酶的*特性又實在不忍舍棄，這種時候喜歡不信邪的化學家就要大顯身手啦。這不，加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的John F. Hartwig教授瞄上了血紅蛋白。
John F. Hartwig教授是有機化學家，2012年當選美國科學院院士，現年52歲，重點是很帥。
圖片來源：University of California, Berkeley
血紅蛋白的一大特征是擁有Fe-卟啉IX（Fe-PIX）輔因子，原始的血紅蛋白可以催化C-H鍵氧化和鹵化反應，并且可以成功地應用于非生物底物。而以Fe-PIX為核心的其他酶，可以催化卡賓、氮賓與烯烴或X-H鍵的插入反應（X = N, S）和端芳香烯烴的環(huán)丙烷化，但對不活潑的C-H鍵和烯烴的類似反應則無效。
在以往的研究中，科學家已經發(fā)現對于一些反應，小分子Ru/Rh/Ir-卟啉的催化效果遠好于Fe-卟啉分子，于是他們在想，用這些貴金屬代替這些酶中的鐵能否收到奇效？
這個想法并非*，實際上Mn/Cr/Co核心的“血紅蛋白”已經被報道過，只是它們的催化活性都不如Fe-PIX，對Ru/Rh/Ir核心的催化效果，John F. hartwig團隊的成員心里也沒底。（Abiological catalysis by artificial haem proteins containing noble metals in place of iron. Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature17968）
計劃的*步是要合成出相應金屬核心的酶。已有的方法包括組合法和單一表達法。組合法需要先用酸把血紅蛋白的結構打破，釋放出Fe-PIX后，再使空的血紅蛋白（apo-PIX）折疊回原樣。之后再與不同的M-PIX（M為各種金屬）混合，得到產物后分離純化。這一過程非常繁瑣，產率低下。另一種單一表達法比較簡單，直接表達出M-PIX核心的蛋白，但幾乎每一種金屬都要換一個表達方法，缺乏普適性，效率依舊不高。于是本文的研究人員開發(fā)了一種新的表達系統(tǒng)。
他們盡量降低大腸桿菌培養(yǎng)基中鐵鹽的含量，以抑制血紅素的合成，并保持較低的溫度使apo-PIX蛋白保持穩(wěn)定。zui終他們得到了含鐵量低于5%的apo-PIX蛋白。這些蛋白與不同的M-PIX混合，填補蛋白中的空位，便能得到不同的M-PIX蛋白。
M-PIX蛋白制備過程。圓二色光譜表明細菌中表達的apo-PIX蛋白、加鐵后的蛋白與天然的Fe-PIX蛋白在構象上沒有差別。圖片來源：NPG
獲得了這些M-PIX蛋白后，研究人員比較了不同金屬核心的酶催化卡賓的C-H鍵插入反應及芳香烯烴加成反應的活性。結果表明Ir（Me）-PIX蛋白的催化活性。
基于此，為了獲得高的對映選擇性和產率，研究人員又對PIX結合位點附近的重要氨基酸逐一做了突變、篩選（93G代表蛋白質93號氨基酸為甘氨酸G）。
Ir（Me）-PIX蛋白的不同突變體不僅彌補了Fe-PIX蛋白的不足，能夠成功催化卡賓的C-H鍵插入反應和不活潑烯烴加成反應，而且對映選擇性、催化劑轉換數TON（單位時間內轉化的底物的物質的量/催化劑的物質的量）都相當不錯。
氘評：
這項簡短有力的工作雖然還不夠，在底物耐受性、產率、選擇性、催化效率、機理研究等方面還有很大進步空間，但無疑打開了人工改造天然酶催化劑的新思路。僅僅是把自然界存在的酶換一個金屬核心，就能對新的化學反應產生催化功能，不知道是大自然故意給人類留下了發(fā)揮空間，還是化學家足夠機智呢？
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