分享一篇发表在JACS上的文章，题目为“A De Novo Metalloenzyme for Cerium Photoredox Catalysis”，通讯作者为慕尼黑工业大学的Cathleen Zeymer教授，其团队主要研究方向为有机化学和蛋白质化学，近年来，该团队在人工金属酶设计领域取得了令人瞩目的成果。
在2020年，该团队报道了一种基于对称结构域融合策略设计金属结合蛋白的策略，将从头设计的的TIM桶结构与受自然启发设计的金属结合结构域融合，得到了一系列具有大空腔结构的镧系元素结合蛋白（PNAS. 2020; 117: 30362-9）。前述蛋白能以极高的亲和力结合镧系元素，但尚未探究它们是否存在潜在的催化功能。鉴于铈催化的光氧还反应具有在温和条件下活化小分子的强大潜力，本文中，作者在这类镧系元素结合蛋白的基础上进行了结构优化，使其具有更好的光稳定性和Ce结合能力，得到的金属酶PLZ（PhotoLanZyme）1.4在水溶液中成功催化了1,2-二醇的C-C键断裂。首先，作者确认了此前开发的镧系元素结合蛋白（命名为PLZ 1.0）在结合Ce(III)时接受420 nm光照，确实能够以自由基机理催化模型底物(R,R)-氢化安息香的C-C键断裂，但反应速率和产率都较为有限。随后，作者着手对蛋白结构进行优化：(1) 将PLZ 1.0的同源二聚体通过单个残基连接成单链（PLZ 1.1），以允许对蛋白结构的不对称控制；(2) 鉴于色氨酸残基的光氧化对蛋白的光不稳定性起到主要贡献，作者将PLZ 1.0金属结合位点附近的色氨酸残基替换为了经过合理设计的突变（PLZ1.2~1.3），增强了蛋白的光稳定性；(3) 重新设计了蛋白质表面（PLZ 1.4），多处带负电荷残基簇的引入避免了非特异性的金属结合，降低了酶的暗反应活性。经此三轮优化后，作者得到了具有更强光稳定性和金属结合能力的铈光氧还酶PLZ 1.4，其可以优异的性能催化前述模型反应，作者也对反应的酶学参数进行了详细的表征。随后，作者探索了该酶的底物可拓展性。作者尝试以多种1,2-二醇作为底物，结果显示了PLZ 1.4催化不同底物C-C键断裂的产率具有一定差异，但没有对映选择性。作者也尝试通过AF2模型对这种底物选择性进行了解释。接下来，作者将PLZ 1.4融合到E. Coli的细胞表面，实现了基于全细胞的生物催化裂解，突出了该酶在木质素降解等场景下的应用潜力。最后，作者比较了从头设计的PLZ 1.4与天然镧系元素结合蛋白PedH的催化性能，结果显示尽管PedH也能以较高的产率实现类似的催化，但其光稳定性明显较差，这一结果进一步地突出了从头设计策略的优势。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c04618文章引用：DOI: 10.1021/jacs.4c04618
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