吴起课题组Accounts of Chemical Research：脂肪酸光脱羧酶的可调控催化性能与非天然反应

光作为一种绿色可持续的能源，驱动着生命体中的关键生化过程。将光能与酶催化的高选择性相结合，发展光酶催化，为绿色合成提供了创新机遇。然而，目前已发现的天然光酶寥寥无几，其催化功能也较为局限。来源于小球藻（Chlorella variabilis NC64A）的脂肪酸光脱羧酶（CvFAP）是其中一员，它可利用蓝光驱动脂肪酸脱羧生成碳氢化合物，为生物燃料和化学品合成提供了极具吸引力的途径。然而，CvFAP的天然催化功能存在底物范围窄、光稳定性差、催化模式单一等显著局限，严重制约了其实际应用。

吴起课题组长期致力于蛋白质工程与光酶催化研究，聚焦于通过理性设计与定向进化开发新型立体选择性酶，并拓展其在有机合成与合成生物学中的应用。针对CvFAP的局限性，课题组通过深入机制研究和创新的酶工程策略，系统性地拓展了其催化性能，不仅提升了其天然催化功能，更成功将其“重塑”为可催化多种非天然反应的多功能光催化剂（图1）。近日，课题组以“Tunable Catalytic Performance and New-to-nature Reactions of Fatty Acid Photodecarboxylase”为题在Accounts of Chemical Research上发表综述文章，系统介绍了课题组通过蛋白质工程策略调控CvFAP催化性能、并拓展其催化边界的研究进展（Acc. Chem. Res.2026, https://doi.org/10.1021/acs.accounts.5c00804）。

图1 脂肪酸光脱羧酶的可调控催化性能与非天然反应

1、利用FRISM策略，增强了CvFAP催化合成生物烷烃的性能

CvFAP天然偏好长链脂肪酸（C16-C18）的脱羧反应，限制了其在中短链生物燃料（如生物汽油、液化石油气）生产中的应用。利用课题组开发的“聚焦理性迭代定点突变”（FRISM）策略，在CvFAP空腔中构建了一个更紧凑的活性中心，显著提高了CvFAP对中、短链脂肪酸（C2-C14）的脱羧活性，催化效率提升最高达552倍。此外，课题组构建了“脂肪酶-CvFAP-光催化剂”级联平台，成功将三油酸甘油酯高效转化为生物汽油（C6-C8），为废弃油脂的资源化利用提供了新路线（图2）。

图2 将三油酸甘油酯转化为生物汽油的新型光-化学-酶反应平台

2、实现外消旋化合物动力学拆分中的立体控制与反式选择性脱羧

课题组改造得到的CvFAP突变体实现了α-官能化羧酸的高效动力学拆分，获得了高对映体纯度的(R)-构型手性羧酸（图3）。进一步开发出具有立体互补特性的突变体，实现了远程γ-手性中心的可控构建，为手性仲醇的立体发散性合成提供了新方法。

图3 α-官能化羧酸的光驱动动力学拆分

此外，针对危害健康的反式脂肪酸（TFA）选择性去除难题，利用FRISM策略设计的突变体，可以实现对反式脂肪酸的高度几何选择性脱羧（顺反选择性 >1000），为食品中TFA的安全去除提供了潜在工具（图4）。

图4 反式选择性脱羧

3、突破催化边界：机制重设计与“非天然”反应开发

在优化天然功能的基础上，课题组更进一步，通过机制重编程和反应路径重定向，成功将CvFAP拓展为可催化全新反应的光酶。1）脱羧氘代平台：通过改变反应淬灭路径，利用D₂O作为廉价氘源，实现了高效的脱羧氘代反应，为氘标记烷烃化合物的合成提供了绿色便捷的方法。2）光催化脱卤酶：从根本上重新设计了CvFAP的催化机制，从天然的氧化性单电子转移（SET）过程，转变为利用三乙醇胺作为牺牲电子供体的还原性SET过程。改造后的CvFAP突变体能高效催化α-卤代四氢萘酮的不对称脱卤反应，成功将光脱羧酶重塑为高效的光脱卤酶（图5）。

图5 CvFAP催化的还原性脱卤反应

本文通讯作者是浙江大学化学系吴起教授，化学系博士后徐维华为第一作者。该综述得到了国家自然科学基金（No：22277105，22307111，22577116）、浙江省自然科学基金（No：LZ24B020003）、中国博士后科学基金（No：2024M762794）等支持。

论文信息：

Tunable Catalytic Performance and New-to-nature Reactions of Fatty Acid Photodecarboxylase

Weihua Xu *, Junjie Sun, Honglei Chen, Qi Wu *

Acc. Chem. Res. 2026, https://doi.org/10.1021/acs.accounts.5c00804

图文：吴起教授课题组

编辑：黄珍珍、邹尔纯

审核：陆展