近日，南京大学潘惠杰特聘研究员与西安交通大学黄钢锋教授合作，通过设计一系列 FeGP 模型配合物（2−4），系统研究了吡啶配体上 3-甲基和 5 -甲基的作用。其中，使用模型配合物4与脱辅酶重组得到的人工半合成单铁氢酶（jHmd-4）的正向（forward，氢化）与反向 (reverse，脱氢)反应活性分别为38.5 ± 2.7和 33.5 ± 2.5 U·mg-1，其活性约为天然单铁氢酶的8%，是目前为止活性最高的人工半合成单铁氢酶。
氢酶是一类能够催化氢分子可逆生成和裂解的生物催化剂，目前已知的氢酶根据其活性中心金属不同可以分为三大类：镍铁氢酶、铁铁氢酶和单铁氢酶。发现最晚的单铁氢酶在催化中心结构和催化机制上与其他两类氢酶具有明显区别。首先，在结构上，单铁氢酶的金属活性中心只有一个二价铁离子，而且不含有传递电子的铁硫簇。其次，单铁氢酶的单金属活性中心可以直接异裂氢气生成Fe-H中间体，进而转移氢负离子到底物上，该过程与传统贵金属氢化催化剂类似。这样的催化机理使其有望应用于不对称氢化领域。
然而，天然单铁氢酶仅存在于产甲烷古菌中，需要通过厌氧发酵，并在无氧条件下经过分离纯化得到。这个过程复杂且低效。此外，由于来源于古菌，对该酶进行突变和定向进化的基因操作也极具挑战。以上这些因素导致单铁氢酶的大规模培养和改造困难，严重限制了该酶的研究与应用发展。
人工半合成策略通过将大肠杆菌 (E. coli) 异源表达的脱辅酶（apoenzyme）与有机合成的金属辅因子仿生配合物（model complex）体外重组，得到具有催化活性的半合成单铁氢酶（semisynthetic [Fe]-Hydrogenase），这一策略为解决该酶的大规模制备和改造困难带来希望。然而，目前合成的金属辅因子仿生配合物与天然金属辅因子（FeGP）的结构相去甚远，经过重组得到的半合成单铁氢酶活性不足天然单铁氢酶的1%。因此，亟须合成结构上更接近天然金属辅因子的仿生配合物，以得到重组后活性更高、更稳定的人工半合成单铁氢酶。
本文针对天然 FeGP 辅因子的吡啶配体，通过精准设计金属辅因子仿生配合物的结构，首次明确了 FeGP 辅因子中两个甲基取代基的功能分工，揭示了它们的微观调控作用，进一步完善了天然单铁氢酶的结构功能关系。通过人工半合成策略得到了迄今为止活性最高、稳定性最高的人工半合成单铁氢酶，为该类酶的应用开发奠定了良好基础。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。
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