加州大学圣巴巴拉分校的研究人员正在利用光构建化学反应的全部功能。在《自然》杂志上发表的一篇论文中，匹兹堡大学的化学教授Yang Yang和他的合作者报告了一种利用光生物催化产生非规范(非自然产生的)氨基酸的方法，这种氨基酸是肽疗法、生物活性天然产物和新型功能蛋白质的宝贵组成部分。

Yang说:“在生物催化领域已经做出了很多努力，我们现在可以合理地设计出全新的酶促反应，这在化学或生物学上都是前所未有的。”

生物催化或通过酶加速化学反应领域的大多数研究都倾向于优化对合成化学有用的天然酶的功能，或者重新利用天然酶来促进合成化学已知的非自然反应。尽管经过了十年的广泛研究，酶促反应在自然界和合成化学中都是新发现的例子屈指可数。“我们感兴趣的本质是发现全新的酶促反应和酶催化的一般模式，”他补充说。

进入光生物催化，其中光被用来激发酶产生能量(通常以自由基的形式)，将一个分子转化为另一个分子。光生物催化是一个相对年轻的化学领域，它利用酶的选择性和效率，并将其与光的多功能性和可持续性相结合，创造出新的过程，在这种情况下，是非规范氨基酸。

相互作用的催化过程

在这项研究中，研究小组专注于吡哆醛磷酸(PLP)依赖性酶，这是一个负责氨基酸代谢的大家族酶。他们开发了一种相互作用的三重催化循环，其中光催化剂(一种基于铱的化合物)暴露在光下，启动一个产生瞬态自由基的过程，而第二个循环使用光再生光催化剂。

同时，使用PLP酶的生物催化循环通过一系列独特的PLP生物化学激活步骤修饰氨基酸底物。光化学产生的自由基在这里发挥作用，进入酶的活性位点并与酶的中间体结合，从而实现新的化学反应。酶和光催化剂之间的这种合作使得非规范氨基酸产品的产生成为可能。

在这种情况下，普通氨基酸分子结构的改变为这些酸增加了新的特征和能力。Yang说，通过在氨基酸的关键“α碳”上创造新的碳-碳键，利用这种“骨干”设计一系列新型氨基酸成为可能，这些氨基酸反过来又可以发挥新的、独特的、理想的功能，作为新疗法和天然产物的基础。杨指出:“这是首次通过自由基介导的丰富氨基酸底物的α功能化来证明吡啶生物催化。”

此外，高效的过程是立体选择性的，这意味着它可以选择所得到的氨基酸的首选三维“形状”，并且它消除了添加和移除“保护基团”的额外步骤，或掩盖分子上某些反应区域的化合物，以防止这些区域发生不必要的化学反应。

“我们已经发现了光催化剂和酶之间有趣的相互作用，”杨说，他的团队正在研究如何进一步改善两种催化剂之间的相互作用。“我认为这将带来新的基础科学，无论是从合成化学的角度还是从酶学的角度来看。”