在生物催化领域，氧化还原酶已成为合成高价值手性化合物的宝贵工具。然而这些酶需要一到两个辅助因子传递电子以实现氧化还原反应，其中超过50%的已知的氧化还原酶依赖烟酰胺辅助因子 (NAD(P)H)。鉴于NAD(P)H价格昂贵且不稳定等限制因素，依赖NAD(P)H的酶的大规模使用变得极其昂贵且不切实际。实施原位辅助因子的再生是一个简洁且被广泛使用的对策，其中，酶催化的辅助因子再生尤其是酶偶联系统因其自身的众多优势而被优先考虑。现有的酶偶联系统大多是基于各种脱氢酶建立的，他们各有优缺点且多用于NADH的再生。相比之下，NADPH再生系统的建立和使用仍然有限，因而迫切需要发掘新的方法。

在这项研究中，作者首次提出了一种基于天然硫氧还蛋白电子传递系统的NADPH再生方法。具体而言，来自嗜热菌的硫氧还蛋白 (thioredoxin，Trx1) 和硫氧还蛋白还原酶 (thioredoxin reductase，TR) 能够联合氧化二硫醇同时还原NADP+产生NADPH。研究结果表明TR/Trx1不仅具备良好的催化活性，而且具有显著的热稳定性 (70 °C) 以及对有机溶剂和极端碱性环境的高耐受性。为了研究其再生能力，将TR/Trx1系统与两个代表性的NADPH依赖型的氧化还原酶，即酒精脱氢酶 (ADH) 和环己酮单加氧酶 (CHMO) 分别结合，组成了两个多酶级联体系TR/Trx1_ADH和TR/Trx1_CHMO分别用于合成手性醇和聚合物前体 ε-己内酯等高价值化合物 (图2)。通过 ‘实验设计 (Design of Experiment, DoE)’ 对两个级联体系的反应条件 (底物浓度比，酶活性比) 进行系统优化后，其反应效率和选择性均得到了大幅提升 (70%产率，100%选择性)。这些结果证明了TR/Trx1系统作为NADPH再生方法的可行性。除此以外，鉴于TR对NADP+有极高的亲和力，反应体系的转化数量 (TON) 还可以通过降低NADP+浓度进一步优化以达到被广泛应用的标准。

尽管与其他再生体系相比，TR/Trx1系统表现出一些局限性 (如底物价格略贵)，但通过使用相对便宜的二硫醇替代品1,3-丙二硫醇和1,4-丁二硫醇解决此问题，就有可能使TR/Trx1系统成为目前的酶辅助因子再生工具箱的补充，由此进一步扩大NADPH依赖型的氧化还原酶在合成有价值化合物的应用。

论文信息：

Development of a Thioredoxin-Based Cofactor Regeneration System for NADPH-Dependent Oxidoreductases

Dr. Ningning Zhang, Beatrice Müller, Tanja Ørtoft Kirkeby, Prof. Selin Kara, Dr. Christoph Loderer

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202101625