化妆品、药品、化学品等工业制备中有一种重要的中间体，就是苯甲醇。传统用化学法生成苯甲醇的工艺过程繁琐，且会生成大量污染环境的副产物。苯甲醇能否实现绿色高效生产，一直是工业界和学术界共同关注的问题。湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授李爱涛、陈纯琪和郭瑞庭团队合作，成功解决了这一难题。
他们首次解析了万能酶——细胞色素P450tol及其复合体晶体结构，并基于此构建了一种活性和稳定性均明显提升的人工融合酶，实现了苯甲醇的高效绿色合成。相关研究成果2月14日在线发表于《美国化学会志—催化》，并被选为封面文章。
论文通讯作者李爱涛告诉《中国科学报》，苯甲醇工业生产采取两步法，以甲苯为原料，用剧毒的氯气和强碱氢氧化钠，才能实现甲苯中惰性C-H键的官能团化，制备出苯甲醇。
能不能找到一种办法，将甲苯绿色高效地转化为苯甲醇呢？李爱涛及其团队想到了酶这种地球生命中最强大的化学工具。通过理性设计和定向进化手段，酶展现出在生物催化领域的强大功能。其中，细胞色素P450酶能够识别多种参与生化反应的物质（即底物），利用基因工程改造P450酶来量身定制化学反应，成为一个热门研究方向。
在前期研究中，李爱涛从甲苯降解菌中鉴定出一种特殊的P450酶，命名为P450tol。
它以甲苯为底物，生成专一的产物苯甲醇。这是迄今发现的唯一可以天然催化甲苯生成苯甲醇的酶。然而，P450tol三维结构信息的缺乏，限制了针对P450tol的基础研究与未来的应用。改造高效的P450tol，必须先揭开酶结构的面纱。2020年5月，郭瑞庭团队在世界上首次解析了一种自给自足P450酶的全长晶体结构，获得了广泛关注。为此，李爱涛团队和郭瑞庭团队展开了合作。
郭瑞庭说，这次合作解开了P450tol的结构谜团。
李爱涛告诉记者，自然界中大部分P450酶都需要一个能够与之匹配的还原酶来提供电子以发生催化反应，这对于后续应用是一个难题。为了实现工业应用，寻找天然的自给自足型P450酶或者索性构建高效的自给自足型P450人工融合酶，成为科研工作者关注的焦点。
“2020年5月郭瑞庭团队解析了自给自足型P450酶（CYP116B46）的全长晶体结构，给我们构建自给自足型人工融合酶带来了非常大的启发。”李爱涛说，他们将P450tol和CYP116B46的还原酶结构域融合，构建出一个新的自给自足型人工融合酶。新的酶不论在酶活性、稳定性还是半衰期方面，都获得了很大的提升，且两种融合酶具有相似的底物亲和力。
3位审稿人在审稿意见中都赞同该文利用酶的生物催化来准确生成苯甲醇，还指出作者构建了非常稳定的人工融合酶，将来应用到绿色生物催化制程中，具有非常大的潜力。“随着结构生物学、人工智能、酶定向进化等领域的发展，通过理性设计和改造，获得更多新的、具有重要功能的酶造福人类，将是一个重要的研究和发展方向。我们将继续致力于构建更多P450tol人工融合酶，期待得到更具挑战的、反应和性能获得极大提升的新酶。
”郭瑞庭说。