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A designed photoenzyme for enantioselective [2+2] cycloadditions

对映选择合成 生物催化 光敏剂 分子内力 化学 组合化学 催化作用 立体化学 有机化学 反应机理
作者
Jonathan S. Trimble,Rebecca Crawshaw,Florence J. Hardy,Colin Levy,Murray J. B. Brown,Douglas E. Fuerst,Derren J. Heyes,Richard Obexer,Anthony P. Green
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:611 (7937): 709-714 被引量:139
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05335-3
摘要

The ability to program new modes of catalysis into proteins would allow the development of enzyme families with functions beyond those found in nature. To this end, genetic code expansion methodology holds particular promise, as it allows the site-selective introduction of new functional elements into proteins as noncanonical amino acid side chains1–4. Here we exploit an expanded genetic code to develop a photoenzyme that operates by means of triplet energy transfer (EnT) catalysis, a versatile mode of reactivity in organic synthesis that is not accessible to biocatalysis at present5–12. Installation of a genetically encoded photosensitizer into the beta-propeller scaffold of DA_20_00 (ref. 13) converts a de novo Diels–Alderase into a photoenzyme for [2+2] cycloadditions (EnT1.0). Subsequent development and implementation of a platform for photoenzyme evolution afforded an efficient and enantioselective enzyme (EnT1.3, up to 99% enantiomeric excess (e.e.)) that can promote intramolecular and bimolecular cycloadditions, including transformations that have proved challenging to achieve selectively with small-molecule catalysts. EnT1.3 performs >300 turnovers and, in contrast to small-molecule photocatalysts, can operate effectively under aerobic conditions and at ambient temperatures. An X-ray crystal structure of an EnT1.3-product complex shows how multiple functional components work in synergy to promote efficient and selective photocatalysis. This study opens up a wealth of new excited-state chemistry in protein active sites and establishes the framework for developing a new generation of enantioselective photocatalysts. A genetically encoded triplet photosensitizer is used to develop an efficient photoenzyme that can promote enantioselective intramolecular and bimolecular [2+2] cycloadditions by means of triplet energy transfer.
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