近日，南京大學潘惠杰特聘研究員與西安交通大學黃鋼鋒教授合作，通過設計一系列 FeGP 模型配合物（2?4），系統研究了吡啶配體上 3-甲基和 5 -甲基的作用。其中，使用模型配合物4與脫輔酶重組得到的人工半合成單鐵氫酶（jHmd-4）的正向（forward，氫化）與反向 (reverse，脫氫)反應活性分別為38.5 ± 2.7和 33.5 ± 2.5 U·mg-1，其活性約為天然單鐵氫酶的8%，是目前為止活性最高的人工半合成單鐵氫酶。
氫酶是一類能夠催化氫分子可逆生成和裂解的生物催化劑，目前已知的氫酶根據其活性中心金屬不同可以分為三大類：鎳鐵氫酶、鐵鐵氫酶和單鐵氫酶。發現最晚的單鐵氫酶在催化中心結構和催化機制上與其他兩類氫酶具有明顯區別。首先，在結構上，單鐵氫酶的金屬活性中心只有一個二價鐵離子，而且不含有傳遞電子的鐵硫簇。其次，單鐵氫酶的單金屬活性中心可以直接異裂氫氣生成Fe-H中間體，進而轉移氫負離子到底物上，該過程與傳統貴金屬氫化催化劑類似。這樣的催化機理使其有望應用于不對稱氫化領域。
然而，天然單鐵氫酶僅存在于產甲烷古菌中，需要通過厭氧發酵，并在無氧條件下經過分離純化得到。這個過程復雜且低效。此外，由于來源于古菌，對該酶進行突變和定向進化的基因操作也極具挑戰。以上這些因素導致單鐵氫酶的大規模培養和改造困難，嚴重限制了該酶的研究與應用發展。
人工半合成策略通過將大腸桿菌 (E. coli) 異源表達的脫輔酶（apoenzyme）與有機合成的金屬輔因子仿生配合物（model complex）體外重組，得到具有催化活性的半合成單鐵氫酶（semisynthetic [Fe]-Hydrogenase），這一策略為解決該酶的大規模制備和改造困難帶來希望。然而，目前合成的金屬輔因子仿生配合物與天然金屬輔因子（FeGP）的結構相去甚遠，經過重組得到的半合成單鐵氫酶活性不足天然單鐵氫酶的1%。因此，亟須合成結構上更接近天然金屬輔因子的仿生配合物，以得到重組后活性更高、更穩定的人工半合成單鐵氫酶。
本文針對天然 FeGP 輔因子的吡啶配體，通過精準設計金屬輔因子仿生配合物的結構，首次明確了 FeGP 輔因子中兩個甲基取代基的功能分工，揭示了它們的微觀調控作用，進一步完善了天然單鐵氫酶的結構功能關系。通過人工半合成策略得到了迄今為止活性最高、穩定性最高的人工半合成單鐵氫酶，為該類酶的應用開發奠定了良好基礎。
這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society 上。
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