手性环氧化合物是合成医药、香料和功能材料的重要中间体。柠檬烯作为自然界含量第二丰富的萜烯化合物，其手性环氧产物在手性试剂和生物基聚合物制备中具有重要应用价值。然而，现有的生物催化方法存在底物负载量低、产物收率不高、立体选择性差等问题，严重制约了其工业应用。

针对上述挑战，中国科学院成都生物研究所联合河南农业大学、伊斯兰堡COMSATS大学等，首次将苯乙烯单加氧酶（SMOs）应用于脂肪族萜烯的环氧化反应，成功实现了柠檬烯的高立体选择性环氧化，为从可再生原料制备高价值手性环氧化物提供了新策略。

研究团队首先筛选了18种不同来源的苯乙烯单加氧酶，发现来自Streptomyces gardneri的SgStyA表现出独特的反式选择性（dr = 79:21）和较高的催化效率（90%）。通过AlphaFold结构预测和分子对接分析，确定了控制立体选择性的三个关键残基位点：F50、F194和V209（图1）。

图1 SgStyA活性位点结构分析及关键残基保守性分析

通过系统的定点突变与组合突变，研究团队揭示了“位阻调控”立体选择性的机制：第50位和第209位残基的大小共同决定了产物的立体构型。基于该机制，成功构建了三个关键突变体：SgStyA-M1 (F50L/V209I/G97A)具备顺式选择性 (dr > 99:1)，SgStyA-M2 (F50M/V209I/G97A)同样为顺式选择性 (dr > 99:1)，SgStyA-M3 (F194M/F50W)则表现出反式选择性 (dr > 1:99)（图2）。

图2 顺式选择性（A）和反式选择性（B）突变体的定向进化过程

这些突变体不仅对(R)-(+)-柠檬烯表现出优异的立体选择性，对(S)-(-)-柠檬烯也显示出互补的立体选择性，从而实现了四种手性纯柠檬烯-1,2-环氧化物的高效制备（图3）。

图3 SgStyA突变体催化(R)-和(S)-柠檬烯立体选择性环氧化

为进一步阐明立体选择性调控的分子机制，研究团队开展了分子动力学模拟。结果显示，第50位残基的大小直接影响底物的接近程度，而第194和第209位残基通过空间位阻协同调控底物的结合取向。在SgStyA-M1中，较小的Leu50允许底物更接近，配合较大的Phe194和Ile209引导底物形成有利于顺式环氧化的构象；而在SgStyA-M3中，体积较大的Trp50阻止底物过度接近，较小的Met194和Val209为底物提供足够空间，形成有利于反式环氧化的构象（图4）。

图4 分子动力学模拟揭示SgStyA突变体的立体调控机制

在放大制备实验中，以SgStyA-M2和SgStyA-M3全细胞催化4 mM (R)-柠檬烯，产物的收率分别达到83.1%和83.6%。该研究首次将苯乙烯单加氧酶的底物范围拓展至脂肪族萜烯类化合物，不仅丰富了生物催化立体选择性环氧化的酶工具箱，也为基于可再生资源绿色合成高附加值手性化合物提供了可持续的新途径。

相关研究以"SgStyA-Mediated Diastereospecific Epoxidation of Limonene: Accessing Enantiopure cis- and trans-Limonene 1,2-Epoxides"为题，发表于中科院一区TOP期刊ACS Catalysis（IF 13.1）上。成都生物研究所博士研究生何易为论文第一作者，河南农业大学林晖副教授、伊斯兰堡COMSATS大学M. Qaiser Fatmi教授和成都生物研究所吴中柳研究员为共同通讯作者。该研究获国家自然科学基金、中国科学院国际访问学者项目和四川省自然科学基金资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03614