文章的通讯作者是来自美国加州大学伯克利分校的Michelle C. Y. Chang教授，其课题组主要从事有关生物合成、生物催化和生物燃料的研究。

        有机卤化物在合成化学中具有重要的价值，而合成有机卤化物的一个挑战是选择性地将Csp3-H键替换为C-X键，因为Csp3-H的活化需要较高的能量，而在这种高能量条件下保持区域和立体选择性显得尤为困难。因此，如果能发现一种卤化酶，利用酶的高选择性实现这一过程，将为有机卤化物及其衍生物的合成开辟一种新的高效合成的途径。作者最近发现了一种能够直接卤化赖氨酸的自由基卤化酶BesD，为了进一步了解催化机理，以及发现更多的能够直接加工氨基酸的卤化酶，作者对BesD的结构和序列做了深入的分析。

        作者首先用X光解析了BesD的晶体结构。BesD单体具有β-三明治拓扑学结构，这是典型的Fe/αKG酶的特征；在其活性中心由多个极性氨基酸构筑成的氢键网络能够稳定住底物赖氨酸的方位，作为反应物的氯离子和αKG一同配位到FeII上形成四方锥配位结构。基于BesD的结构和对其他已知Fe/αKG酶的机理的类比，作者推测了BesD催化赖氨酸卤化的反应机理：在αKG的协助下，O2将FeII氧化形成FeIV=O复合物，该复合物夺取底物C-H键上的H使底物形成自由基，然后发生单电子转移与Cl结合形成C-Cl键。为了进一步研究BesD的催化选择性，作者对活性中心的氨基酸残基做了丙氨酸突变筛查，结果表明His134和Asn219通过参与次级配位环境的形成控制反应的选择性，而这两个残基在同源卤化酶序列上是表现为高度保守的。

        为了鉴定到更多可能存在的卤化物酶，作者对推定的卤化物酶编码基因序列进行了同源搜索，并将结果生成为一张序列相似度网图，该图根据推定功能的不同将潜在的同源卤化物酶分成了8个类别。作者用大肠杆菌体系表达了这8种卤化物酶并测试了它们对不同氨基酸底物的活性，用LC-MS分析了反应产物，发现了一系列新的卤代氨基酸结构。通过对不同酶的催化产物进行比较，作者发现不同类型的卤化物酶催化的底物、卤代位点、卤代原子数都各不相同，而在进行了序列比对后，结合BesD的已知结构，作者推测卤化物酶C末端的一段氨基酸序列决定了其底物特异性。

        在发现了BesD卤化物酶家族后，作者考虑了这些酶在合成方面的应用。作者将反应物氯离子替换为溴化物和叠氮化物，发现一种酶SwHalB能够催化赖氨酸形成对应的溴代赖氨酸和叠氮代赖氨酸，说明利用卤化物酶可以在氨基酸上的特定位点加上不同的官能团修饰。作者又尝试了将赖氨酸的卤化与其他酶催化反应偶联，结果表明能催化赖氨酸形成氮杂环、酮酸、二胺的环化脱氨酶、转氨酶、脱羧酶，也能够催化卤化物酶合成的一氯代或二氯代赖氨酸形成对应的产物。最后，作者还探究了被卤化物酶修饰后的氯代赖氨酸能否在体外翻译体系中被插入到肽链中。作者发现，当用PfHalA或SwHalB处理赖氨酸后，体外转录翻译体系（IVTT）合成了氯代肽段，说明卤化物酶合成的非天然氨基酸能够应用于IVTT得到含氯的多肽。

        综上，作者发现了一个新的以BesD为代表的自由基卤化物酶家族，能够选择性地将C-H键活化成C-X键，从而调控分子的生物活性或者用于合成活性中间体。通过拓展反应物的种类或者与其他酶催化反应偶联，可以得到多种新的化合物，这揭示了BesD家族在生化合成方面巨大的潜在应用价值。

本文作者：TZY

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41589-019-0355-x

文章引用：DOI：10.1038/s41589-019-0355-x