酶由于其催化反应的高效性和专一性，已经在工业上有越来越多的应用。经过改造之后的酶表现出期望的活性和选择性，但是通常只有很有限的底物适用范围。尽管这一专一性在某一具体催化过程很有用，但也限制了酶在早期药物发现阶段的应用，因为早期往往需要不同的底物来大量产生各种不同的分子。目前新兴的策略是利用酶催化来产生一个手性合成子，再进行后续的衍生化。近日，美国加州理工学院Frances H. Arnold课题组报道了利用海洋红嗜热盐菌一氧化氮双加氧酶（RmaNOD）的突变体催化产生频哪醇硼酸酯取代的环丙烷的顺式和反式的非对映异构体，当进行后续衍生化可产生各种手性纯的环丙烷结构的化合物。酶催化下的环丙烷化与传统的化学合成相比，不再需要手性配体、昂贵的过渡金属催化剂以及较好反应活性的底物，并且减少了有机溶剂的使用。环丙烷化产物上的频哪醇硼酸酯基团可以进行Suzuki−Miyaura偶联反应，从而产生立体纯的环丙烷衍生物。

为了寻找具有该催化活性的起始酶，作者以乙烯基硼酸酯为底物，EDA为卡宾前体，筛选了一系列血红素蛋白，包括细胞色素P411、细胞色素c、肌红蛋白等。最后，作者发现来源于海洋红嗜热盐菌的一氧化氮双加氧酶（RmaNOD）突变体Q52A具有微弱的催化活性，产生反式构型的化合物3。在获得RmaNOD Q52V的晶体结构之后，作者选取了口袋末端的氨基酸残基进行单位点迭代饱和突变。在第一轮突变中，作者发现Y32T导致非对映选择性的改变，更倾向于产生顺式构型的化合物3并且将反应效率提高了24倍，TTN达到了420，dr值达到了90:10，ee值大于99%。再一轮的突变作者筛选到了Y32T, Y39H, L48R, Q52A, R79W，重组之后获得突变体RmaNOD THRAW，进一步提高了催化的效率，TTN达到了1300，dr值达到了94:6，ee值大于99%（图1a）。之后，作者考虑提高反式的产物3的产率，利用同样的策略筛选出了突变体L20W, Q52A, L56I, L60H, L101N, I105M，重组之后得到RmaNOD WAIHNM催化底物产生反式构型的化合物3，TTN达到了2000，dr值小于1:99，ee值大于99%（图1b）。

图1

（图片来源：ACS Catal.）

之后作者又尝试了该酶催化下的克级规模的反应，最终以36%分离产率拿到3.7 g的化合物3。为了确定产物的绝对构型，作者将其转化为三氟硼酸钾盐进行结晶（图2a）。作者发现3在水相的缓冲液中会部分的脱去频哪醇保护基团；作者还通过简化催化剂的形式和产物分离的步骤进一步提高了产率。为了证明该方法的实用性，作者利用该方法合成的手性环丙烷硼酸酯与带有各种不同取代基的芳基进行偶联，均获得了手性保持的偶联产物，并显示出很好的官能团耐受性。作者还提出结合酶催化环丙烷化和表面活性剂助力的偶联反应实现一锅法制备手性环丙烷衍生物的合成。

图2

（图片来源：ACS Catal.）

总的来说，作者通过结合生物催化剂的专一性和小分子催化剂的广泛底物范围，发展了一种化学酶法的策略，可以快速地产生各种包含立体纯环丙烷结构的化合物，这将有助于在早期药物发现阶段来构建手性小分子库。