苯甲醇是一种重要的化工中间品，传统上用化学法生成苯甲醇的工艺过程繁琐，且会生成大量污染环境的副产物。苯甲醇的绿色高效生产一直是大家关注的问题。

 

湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授李爱涛、陈纯琪和郭瑞庭团队合作，成功解决了这一难题。他们首次解析了万能酶——细胞色素P450tol及其复合体晶体结构，并基于此构建了一种活性和稳定性均明显提升的人工融合酶，实现了苯甲醇的高效绿色合成。

 

北京时间2月14日，相关研究成果在线发表于《美国化学学会会刊—·催化》（ACS Catalysis），并被选为封面文章。

 

在前期研究中，李爱涛从甲苯降解菌中鉴定了一种特殊的P450酶，命名为P450tol。它以甲苯为底物，生成专一的产物苯甲醇。这是迄今发现的唯一可以天然催化甲苯生成苯甲醇的酶。然而，P450tol三维结构信息的缺乏，限制了针对P450tol的基础研究与未来的应用。

 

要改造高效的P450tol，必须揭开酶结构的面纱。2020年5月，郭瑞庭团队在世界上首次解析了一种自给自足P450酶的全长晶体结构，获得了广泛的关注。为此，李爱涛团队和郭瑞庭团队展开了合作。在这项研究中，郭瑞庭、陈纯琪团队顺利解析了P450tol的空结构以及与底物甲苯及产物苯甲醇的复合体结构。通过这些结构信息，精准的揭示了P450tol由甲苯通过一步反应生成苯甲醇且没有副产物生成的酶结构与催化机制。

 

他们在P450tol与苯甲醇的复合体结构中看到了类似的现象，只不过苯甲醇的羟基代替甲苯的甲基朝向血红素中心的铁离子。

 

研究团队还观察到了一个非常有意思的现象，甲苯或苯甲醇并不能将P450tol的活性区完全占据，还有一些多余的空间。因此，研究人员猜测P450tol或许可以结合比甲苯或苯甲醇更大一些的底物。进一步实验结果与他们推测的一致，P450tol也可以与一些卤代甲苯形成复合体，且可以精确的在苄基位发生羟基化反应。

 

所有这些结果都显示，底物会以有利于反应发生的方式结合并参与反应，这也使酶的反应更精准而高效。

 

P450tol及复合体晶体结构

 

为了实现工业应用，寻找天然的自给自足型P450酶或者索性构建高效的自给自足型P450人工融合酶成为科研工作者关注的焦点。

 

受郭瑞庭团队解析的自给自足型P450酶（CYP116B46）的全长晶体结构启发，李爱涛团队将P450tol和CYP116B46的还原酶结构域融合，构建出一个新的自给自足型人工融合酶。

P450tol(绿色部分)与CYP116B46(紫红色部分)融合后的结构示意图

 

新的酶不论在酶活性、稳定性，还是半衰期方面都获得了很大的提升，且两种融合酶具有相似的底物亲和力。不仅如此，P450tol-CYP116B46还可以催化丙基苯，形成羟基化产物，其中有些是非常重要的药物中间体。基于P450tol的三维结构，他们使用蛋白质工程的手段理性设计和改造，使其反应更多的朝向对人类有益的方向发生。

 

相关论文信息：

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05845