专访王雅婕丨西湖大学团队将化学与生物催化相结合，实现“1＋1>2”

对于选择到西湖大学工作，王亚杰表示，这是一次新的尝试。西湖大学是国家重点扶持的一所新型“小而精”的高等学府。它年轻，充满活力，有很多可能性，但还有很长的路要走。 “我想加入这个年轻的团队，和大家一起做跨学科的研究，成为一个在路上行走、创造、停留的人”，这是王亚杰选择加入西湖大学的主要原因。工作近一年了，我的心态发生了很大的变化。从学生到老师，我逐渐把培养学生作为重点，甚至高于话题。如何激发他们对科学的热爱，如何让他们毕业后成为真正合格的合成生物学和生化领域的主力军之一，是我一直在思考的问题。

化学催化与生物催化结合，取长补短

“合成生物学更像是一个工具，这个工具可以应用于很多领域，其中一个更大的应用就是对生物催化的改造，提高其效率，催化更多的反应。” 生物催化包括酶催化和细胞催化两大方面。酶是生物催化的基本成分，通常催化某一步骤反应。细胞催化是多种不同酶的协同作用，通过多步反应催化合成复杂产物。

化学催化的研究与开发是一门历史较长、非常成熟的学科。因此，传统工业生产仍以化学催化为主。与大多数需要高温、高压和能耗的化学催化相比，生物催化具有反应条件温和、反应过程中产生的污染物少、“可再生”、“绿色”等独特优势。 “催化剂，及其在化学性、区域性、立体选择性等方面不可替代的优势，是医药、食品和精细化工行业转型升级的重要技术引擎，符合我国绿色化的重要战略布局制造业。

“但生物催化短期内仍不可能取代化学催化，原因有二。一是生物催化剂特异性强，导致底物范围普遍较窄，其催化的反应类型与化学催化相比……，还比较小；其次，生物催化稳定性较差，因为生物催化剂一般是酶，对环境要求较高，降解不稳定。” 王亚杰表示：“当然，通过定向进化，这可以有效解决其中的一些问题，但不是全部。”

王亚杰

该课题组的最大特点是将化学催化与生物催化结合起来，取长补短，完成任何一方单独无法完成的任务，达到“1+1>2”的效果。一方面，它拓宽了酶的反应底物和反应类型，使酶能够催化一些以前无法催化的反应。例如，团队正在构建一系列人工酶来催化多手性中心碳-碳键的合成；另一方面，化学与生物催化的结合可以弥补“异源生物催化途径”还原力和能量不足的问题。例如，该团队正在与西湖大学孙立成院士团队合作，开发太阳能驱动的光电-生物耦合催化系统在高科技应用中的应用。高附加值产品合成的应用理论研究。

将光催化与酶促反应相结合，实现高效光酶催化

此前，在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）赵惠民教授的带领下，王亚杰将光催化烯烃异构化与烯烃还原酶催化相应的选择性碳碳双键还原相结合，实现了烯烃的顺反立体聚合还原异构体混合物，高效合成一系列药物和生物活性化合物的手性前体，包括巴氯芬、苯杆菌酯（收率超过80%，ee值高达>99%）。研究成果发表在《sis and》杂志上。

图丨结合光催化和酶催化实现不对称合成（来源：）

王亚杰

表示烯还原酶是一大类氧化还原酶，可以催化活性碳-碳双键相应的选择性还原反应，生成两个手性中心。烯烃还原酶的选择性非常高。例如，如果一种烯烃混合物具有E和Z形式，那么它要么只选择还原其中一种异构体，要么同时以较慢的速率还原另一种异构体，但这在这种情况下，是一种反手性异构体。将获得中心。前者会导致还原收率低，后者会导致产品不纯。为此，团队想到通过将光催化烯烃异构化反应引入到酶促烯烃还原反应中，实现高效的光酶催化。

她补充说，这项研究有两大创新。从科学上讲，它打破了以往化学与酶协同耦合催化体系的瓶颈，证明了光催化与酶催化剂协同催化的普适性。虽然这只是一个开始，但它表明光催化剂催化的能量转移和电子转移反应可以与酶催化剂很好地结合，未来可以开发出许多不同的光酶协同催化系统。从应用来看，如果采用该系统，可以改善上述收率低、产品不纯的问题。该系统还被用于合成一系列药物和生物活性化合物的手性前体，展示了非常广泛的应用。潜在的。

近期，光酶结合领域取得新进展。赵惠民团队与厦门大学王彬举教授、中科院深圳先进技术研究院周家海研究员合作，利用“化学模拟”策略开发了一种新型光酶催化分子间不对称自由度。碱基共轭加成反应实现了自然界中未发现的新型生物催化转化，拓展了酶的合成功能，对现有的化学方法起到了很好的补充作用。本研究对该机制的深入研究将有助于开发更多非自然的生物转化，从而实现更多传统化学催化难以实现的转化。

合成生物学加速生物催化发展

合成生物学自出现以来，在疫苗生产、新药开发、生物制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物处理、生物传感器等许多领域。王亚杰研究的生物催化更是锦上添花。

王亚杰

说合成生物学无疑加速了生物催化的发展。以定向进化为例。此前常用的定向进化方法大多是在细胞外进行的，即需要在细胞外构建基因突变文本库，然后转移到微生物宿主中进行蛋白质表达和性状表征。近年来，随着基因编辑等合成生物学工具的发展，越来越多的细胞内定向进化方法被开发出来，即在生长的同时进行靶基因的突变和性状的表征和筛选。和细胞分裂。因此，通常可以在更短的时间内实现更高的吞吐量。

例如，化学和生物学家David Liu开发的噬菌体辅助连续定向进化（PACE）系统每天可以进行数十代定向进化循环，大大增加了筛选具有理想表型的突变体的概率。王亚杰课题组目前还致力于开发基于模型和非模型酵母菌株以及其他自养细菌的胞内连续定向进化技术。与PACE不同，王亚杰课题组更专注于实现真核微生物的多个内源基因。也就是说，代谢途径实现了共同进化转变。

参考：

/doi/abs/10.1021/acs..

/doi/abs/10.1021/。