非天然氨基酸（ncAAs）是现代生物科学不可或缺的分子工具，可以为解析生命奥秘提供分子探针，为新药研发提供活性官能团，为人工酶开发提供新的催化中心，在新药创制、绿色制造乃至合成新型生命体等前沿领域具有重要的应用价值。然而非天然氨基酸的合成，特别是立体选择性合成，往往充满挑战。

    上海交通大学生命科学技术学院、张江高等研究院合成科学创新研究中心所刘文、汤志军团队长期从事聚酮、聚肽类天然产物的生物合成研究，系统揭示了多个类型非天然氨基酸生物合成过程，发现了非天然氨基酸形成相关的氧化、重排、碳碳键断裂与形成的新反应和新酶学（Nat. Chem. 2025, 18,152; JACS 2023, 145, 8896; JACS 2022, 144, 4431; JACS 2021, 143, 19719; ACS Catal. 2026, 16, 8609）。含有叔碳手性中心的非天然氨基酸，例如，γ-叔硝基-α-氨基酸，它是合成手性α,γ-二氨基酸的关键中间体，是活性多肽天然产物与药物的重要合成砌块，具有重要的应用价值。然而，在氨基酸骨架中构建此类叔碳手性中心极为困难。传统化学合成通常需经多步保护基操作，立体选择性差且总效率低下；生物催化具有高效、高选择性的优势，然而目前还缺乏高效合成γ-叔硝基-非天然氨基酸的方法。基于对非天然氨基酸生物合成途径的理解，近期他们与上海交通大学邹一可教授合作，通过反应设计、酶筛选与定向进化，发现了一个新的PLP酶平台，成功实现了γ-叔硝基非天然氨基酸的高效立体选择性地合成（图1）(Nat. Commun. 2026, DOI: 10.1038/s41467-026-76813-9）。

图1：γ-叔硝基-α-氨基酸的生物催化合成

    研究团队基于对PLP酶的理解，设计了二级硝基烷烃与氧乙酰丝氨酸缩合合成γ-叔硝基非天然氨基酸的非天然反应。基于酶学筛选，发现来源于铁螯合素生物合成途径中负责催化吡咯环形成的PLP酶SidM，能够有效合成γ-叔硝基非天然氨基酸。优化反应条件后，模型底物转化产率达87%，立体选择性保持99%（图2）。

    SidM具有优异的底物普适性，对多种1-芳基-1-硝基烷烃底物表现出广泛的反应性。间位取代的芳基底物（2b-2j）可高效转化为相应产物（3b-3j），产率高达99%，立体选择性94-99% de。对位卤素取代底物（2k-2m）同样被良好接受。延长硝基烷烃侧链（2o-2r）以及杂芳基底物（2r）也能以良好至优异的产率和立体选择性转化。针对活性不佳的底物，基于AlphaFold3预测和分子对接，对活性中心残基进行定点饱和突变，获得A99G单点突变体SidM-MI，催化效率提升6.3倍，显著拓展了底物范围，包括邻位取代、对甲基及脂肪族硝基烷烃等原本无反应的底物（图2）。

图2：酶SidM与SidM-MI催化的反应底物适用范围

    进一步，通过定向进化成果实现了立体化学偏好的调控（图3）。从SidM-MI出发，筛选关键位点，获得三突变体SidM-MIII-S，实现(2S,4S)构型产物的制备；另一组合SidM-MIII-R则逆转选择性，得到(2S,4R)产物。上述酶催化平台，能够放大到克级规模，展现出优异的应用潜力。

图3. 通过定向进化技术优化或逆转 SidM 对 3t 构型形成的立体选择性

    最后，研究团队基于DFT计算、MD模拟和MMPBSA分析，对SidM及其突变体的生物催化与选择性机制进行了研究，表明C−C键形成是决速步，SidM通过关键残基（K71、S299、T207、T210、Q171、H172）与底物和PLP辅因子相互作用，稳定过渡态并决定Re面进攻，从而赋予R构型选择性，实现了立体选择性地合成γ-叔硝基非天然氨基酸（图4）。

图4. γ-叔硝基-α-氨基酸生物催化合成机制解析

    上述工作建立了首个通用、可调控、可放大的γ-叔硝基-α-氨基酸生物催化合成平台。通过将铁螯合素生物合成途径中的SidM重新编程为高效的C-C键形成催化剂，不仅实现了在温和水相条件下从简单前体到复杂叔硝基氨基酸的高效转化，还通过定向进化实现了底物范围的拓展和立体选择性的调控，为药物化学、肽工程和天然产物合成提供了新的工具箱。

    刘文、汤志军团队博士后丁文萍、邹一可团队博士后骆声淦是本文共同第一作者，上海交通大学刘文教授、汤志军副教授、邹一可副教授为论文共同通讯作者。上述成果获得了国家自然科学基金委、上海市科委等相关项目的大力资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76813-9