在国家自然科学基金重点项目（22538006）、国家自然科学基金面上项目（22378165）和江苏省自然科学基金重大项目（BK20220022）等项目资助下，江南大学生命科学与健康工程学院吴静教授团队在双功能黄素酶设计及胺到酯直接生物转化研究方面取得重要进展。研究成果以“A programmable bifunctional flavoenzyme for direct amine-to-ester conversion”为题，于2026年6月发表在Science Advances杂志上。江南大学博士研究生武耀运为第一作者，生命科学与健康工程学院宋伟副研究员和吴静教授为通讯作者。

胺类化合物广泛存在于药物、精细化学品和功能材料中，其进一步氧化转化可生成具有重要应用价值的内酯和酯类化合物。然而，在天然酶体系中，胺氧化与Baeyer–Villiger氧化通常由两类功能分离的黄素酶分别完成：胺氧化酶首先将胺转化为酮，Baeyer–Villiger单加氧酶再将酮转化为内酯或酯。传统多酶级联体系不仅存在中间体扩散、辅因子匹配和副反应积累等问题，还难以在同一催化体系中同时兼顾反应效率、化学选择性和区域选择性。因此，如何将两类进化上长期分离的氧化反应整合到同一酶活性中心，并实现胺到酯的直接、高效和可编程转化，是酶催化领域面临的重要挑战。

(1)该研究采用功能导向的祖先序列重建策略，整合黄素依赖型胺氧化酶与Baeyer–Villiger单加氧酶的进化信息，获得双功能祖先黄素酶AncFO-221。该酶可在同一活性中心内将环己胺连续转化为环己酮和ε-己内酯，证明进化上分离的两类氧化功能可整合于同一黄素酶骨架。结合结构预测、分子模拟和定点突变，研究揭示了His322辅助质子及氢负离子转移、C4a-过氧黄素介导氧插入的连续AO–BVO机制。(2)作者围绕辅因子结合、Criegee中间体稳定和还原副反应抑制开展模块化改造，获得突变体M15。其催化效率提高约18倍，ε-己内酯比例由4.01%升至73.15%，与环己醇的比例由20:80提高至96:4；采用甲酸脱氢酶辅酶再生体系后，ε-己内酯产率达92.99%，整体选择性超过99:1。分子模拟表明，M15通过优化反应构象、稳定关键中间体并抑制羰基还原，实现活性与选择性的协同提升。(3)底物拓展结果显示，M15可催化多种脂环胺、脂肪胺、芳香胺、酚类衍生物及含硫杂环底物，生成相应内酯、酯或亚砜，脂环胺产物收率最高达92.99%。M15还可优先促进迁移能力较弱的基团迁移，非经典区域异构体选择性达74%至99%。分子动力学模拟表明，其通过限制Criegee中间体构象，使弱迁移基团形成有利的反式共平面构象，从而突破经典Baeyer–Villiger迁移规律。

该研究通过功能导向的祖先序列重建，首次构建了可在同一活性中心连续催化氧化脱氨和Baeyer–Villiger氧化的双功能黄素酶，并借助机制导向的模块化工程，同步提升胺到酯转化效率、化学选择性和区域选择性。研究揭示了两类进化分离反应在单一催化腔体中的耦合机制，并证明构象调控可突破经典迁移规律，为多步氧化反应的单酶化设计及内酯、酯类和药物中间体的绿色制造提供了新范式。

吴静教授课题组主页：https://fmme.jiangnan.edu.cn/

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef2491