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12月5日，杭州師范大學郭瑞庭教授團隊與湖北大學合作，在國際期刊《美國化學會催化學報》上發表了一項突破性研究。他們成功對一種名為AetF的天然鹵化酶進行“理性設計”，獲得能夠按照指令、在色氨酸分子特定位置進行單次鹵化或“混合鹵化”的新型酶變體，并首次實現了“一鍋法”高效合成具有重要應用價值的混合鹵代色氨酸，為復雜鹵化分子的綠色生物制造提供了全新的范式。

鹵素，如氯、溴、碘，在自然界和我們的生活中無處不在。在藥物分子中巧妙地引入鹵素原子，就像是給分子裝上了一個關鍵的“開關”，常常能顯著改變其生物活性，從而優化藥物的療效和性質。然而，如何在復雜的分子骨架上，精準地在特定位置“安裝”上指定的鹵素原子，一直是化學合成領域的一項重大挑戰。

傳統的化學鹵化方法往往依賴于有毒試劑和苛刻的反應條件，不僅不夠環保，也難以精確控制反應位點，容易產生不必要的副產物。面對這一難題，科學家們將目光投向了自然界中高效且精準的鹵化酶。

該研究的主角AetF酶，來源于藍細菌。它與許多需要“幫手”才能工作的“雙組分”鹵化酶不同，是一種將鹵化與還原兩種功能集于一身的“單組分”酶，結構更為精簡。

然而，天然的AetF酶有其固定的工作模式：在催化色氨酸鹵化時，它會嚴格遵循“先在第5位（C5）、再在第7位（C7）”的順序進行“流水線作業”，最終生成5,7-二鹵代色氨酸。這種固化的工作模式雖然保證了自然產物的一致性，卻限制了它在人工合成中用于生產特定單鹵代產物或混合鹵代產物的靈活性。

“我們以高分辨率的蛋白質三維結構為‘藍圖’，對AetF酶進行了精密的‘理性設計’。”論文第一作者博士生李豪進一步介紹，團隊首先解析了AetF與底物色氨酸結合的精細結構，通過分析最終鎖定了一個關鍵殘基S523。當將其突變為丙氨酸后，得到的突變體AetF-S523A在C7位的鹵化活性大大降低，變得更傾向于只在C5位進行一次鹵化。

研究人員發現，這個突變體仍保留了一絲“二次加工”的微弱能力。為了徹底關閉其“第二次鹵化”功能，他們進一步對底物結合口袋進行了“精裝修”，通過引入體積更大的異亮氨酸和苯丙氨酸殘基，在C5位鹵化后產物周圍巧妙地構建起“空間位阻”，如同設置了路障，有效阻止了酶對C7位的再次訪問。

最終獲得的“三突變體”——AetF-AIF，展現出了近乎完美的C5位點特異性單鹵化能力。這是首個通過理性設計成功改造獲得的、具有嚴格單鹵化活性的“單組分”色氨酸鹵化酶。

郭瑞庭介紹：“基于改造成功的AetF-AIF突變體（擅長C5單鹵化）和野生型AetF（擅長連續C5、C7鹵化），我們構思了一個巧妙的‘一鍋法’反應策略。”團隊通過簡單地調整反應體系中鹵素鹽（如溴化鈉、碘化鈉）的添加順序，成功地在同一個反應容器內，高效合成了兩種不同的混合鹵代色氨酸：5-溴-7-碘色氨酸和5-碘-7-溴色氨酸，產率分別高達85%和70%。這一過程無需對中間產物進行繁瑣的分離純化，大大簡化了合成步驟。

這項成果意味著，未來科學家們或許能夠像“定制”工具一樣，設計出各種具有特定功能的鹵化酶，從而以更環保、更高效的方式，合成出更多具有特定功能的鹵化藥物分子和化工產品，也為開發更加綠色、經濟的藥物中間體及精細化學品的生物合成路線奠定了堅實的基礎。

（受訪者供圖）