俞聖法研究團隊,致力於金屬蛋白的功能性研究,期望了解”惰性/低化性”的碳氫化合物,例如天然氣組成分子包含甲、乙、丙與丁烷.....等、直鏈與具支鏈的烷烴化合物以及簡單的芳香烴化合物如苯、甲苯與二甲苯甚至多環芳香烴化合物,是如何利用微生物內的高價數金屬活性中心,來進行高控制選擇性與專一性的碳氫鍵活化。這些研究所產生的結果,亦能協助了解汙染化合物,如柴油或鹵素有機分子,是如何利用原核微生物系統,來進行汙染物的降解。預期,所獲致的成果,將對能源與環境的相關議題,特別是,發展綠色替代能源、廢水處理以及土壤復育等,應具有長期的貢獻與影響。
本團隊在金屬蛋白的研究應用上,目前專注於直鏈烷烴與芳香烴等基質化合物,在常溫常壓條件下,其位置選擇性與立體選擇性的氧化,而轉化的方法,亦同時兼顧高轉化效能與原子經濟等效應。基質轉化專一性,是酵素反應型態的重要優勢,而金屬單甲加氧酶的高選擇性活性,則往往訴諸於其基質活性中心口袋周遭的分子特徵,如非鍵結的分子間作用力如氫鍵、靜電作用力與凡德瓦作用力(Chem. Eur. J. 2011&2013, Tetrahedron Lett. 2011 and J. Inorg. Biochem. 2014);我們為了更進一步解析其效能,利用分子生物學/基因轉殖等方法,重新設計假單孢菌中之辛烷羥基化酶(非紫質雙鐵)與巨大芽孢桿菌所取得之細胞色素P450(鐵紫質)的活性中心口袋,讓這兩種酵素得以有效率地進行天然氣分子中,丙烷與/或丁烷分子內,分別進行一級與二級碳上的碳氫鍵活化(Chem. Eur. J. 2017 and Sci. Reports, 2017)。透過這些成果,讓我們得以找出這些單加氧酶,進行氧化官能基化的反應機構,亦可協助我們設計新型態奈米尺度的生物擬態催化材料或觸媒,以進行高惰性碳氫化合物的活化。
假單孢菌屬中辛烷單甲氧酶可選擇性地活化中尺度直鏈烷烴化合物在一級碳上產生一級醇
經過蛋白質工程與基因轉殖方法可改質巨大芽孢桿菌內的細胞色素P450 BM3得以進行正丁烷二級碳的選擇性氧化生成二級醇
超氧感應轉錄因子(SoxR),是一種同質二聚體,其中,每一個單體,含有一個雙鐵雙硫活性中心,來感應原核生物內氧化逆境的訊息,這個蛋白在細菌中,可以做一個電子的氧化,從順鐵磁性的[FeII-FeIII],轉換成為反鐵磁性的[FeIII-FeIII],同時誘導soxS基因的表達,伴隨數個其下游基因如超氧化物歧化酶或過氧化氫酶的生成,以抵抗氧化逆境的危害。 然而,超氧感應轉錄因子亦可感應一氧化氮,以產生亞硝基化的錯化活性中心,由低溫電子順磁光譜,單一SoxR蛋白可產生約二當量的擬態小分子雙亞硝基鐵硫錯合物的譜線訊號,伴隨X光吸收光譜其延伸X光精細結構(EXAFS)數據呈現雙鐵中心其後向散射訊號,無法明確解析,以及原先鐵硫中心在圓二色光譜數據,於300-600 nm所呈現掌性光學活性的特質,也在亞硝基化的過程中消失等無機化學光譜數據的結果顯示: 在亞硝基化後,超氧感應轉錄因子的雙鐵雙硫的活性中心,被分裂成為兩個單一雙亞硝基鐵錯化中心;從更進一步的實驗數據驗證,這個錯化中心,亦會透過氧化還原的過程,轉換為其他亞硝基錯化物,如反磁性的陰離子型態魯辛紅酯(Roussin's red ester (RRE))與其具順磁性的還原型態之魯辛紅酯(reduced Roussin's red ester (rRRE))。因此,在亞硝基逆境下,我們認為亞硝基化的超氧感應轉錄因子,亦可同時感應在胞內可擴散的氧化物、如超氧離子活性物質以及去氧核醣核酸上損傷或斷片,以降低這些細胞毒性物質對原核微生物所造成的危害。(Chem. Eur. J. 2012)
大腸桿菌內超氧感應轉錄因子在氧化與亞硝基逆境的生物無機化學研究
我們最近發現一系列新穎有機-無機複合奈米粒子催化材料觸媒,可利用鐵/銅鹽在乙腈溶液中,加入過氧化氫後產製 (Mol. Catal. 2017 and J. Catal. 2019)。這些仿生觸媒平台,能夠被有效率地控制,展現苯的特異選擇性,進行一次或二次的碳氫鍵氧化活化至苯酚或苯醌,甲苯進行sp3或sp2的一次或二次的碳氫鍵活化至苯甲醛、苯甲醇、苯甲酚暨甲基苯醌等。
金屬蛋白與仿生擬態觸媒可選擇性地進行烷基取代基或芳香環上的碳氫鍵活化
穿透式電子顯微鏡觸媒材料影像
本實驗室在未來,仍將以難以活化的碳氫化合物,其氧化官能基化的催化反應為研究主軸,運用永續可再生綠能(如太陽光電與風能),來驅動細菌性金屬單甲加氧酶/具金屬簇仿生特徵的奈米仿生材料等生物或仿生化學觸媒,針對甲烷,小分子烷烴與芳香烴等化合物,進行轉化 (Sci. Reports 2017 and Angew. Chem. Int. Ed. 2018)。終極目標,期望可將這些基礎研究的成果,應用於新型態特用化學品與能源分子的產製上。
Update: 2019-01-07