芳香烃的硝化是芳香族硝基化合物的制备中最为普遍的工艺过程,涉及大量重要化工原料的生产和制备,特别是在以药物合成为代表的精细化工领域,对结构选择性的精确定点硝化更是有着迫切要求,比如著名的“生活方式(lifestyle)药”西地那非核心中间体的来源即是通过芳香烃的硝化得以实现。芳香烃的硝化反应工艺经过漫长的优化和进步过程,逐渐淘汰了浓硫酸参与的“混酸”方案,进而开发出一系列以催化剂为核心的液相或气相硝化反应,但是仍然始终无法摆脱硝酸的使用,在副产物的控制、反应的环境友好、原子经济性上均有很多亟待优化和改进的问题。随着生命科学的进步和合成生物学的兴起,以生物酶实现重要工业反应的绿色催化显得越发诱人和富有前景。细胞色素P450(Cytochrome P450, CYPs)是一种血红素依赖型生物酶,能够通过激活氧而催化多种氧化反应。作为一类广泛存在的酶家族,其功能涉及从哺乳动物体内的脂代谢、药物代谢,到植物体内的三萜系化合物修饰,再到微生物体内的生物合成和生物降解等的诸多生理过程,其独特的氧化催化能力使其自1958年被发现以来一直为学界所持续广泛关注。CYPs不仅在有机体内充当着重要的分解代谢角色,其在自然界众多天然产物的合成过程中同样具有举足轻重的地位。虽然一段时间以来人们对这方面的关注往往较少,甚至一定程度上可以说是为人们所忽视,但实际上这个领域才是让CYPs真正大放异彩的“中央舞台”。这其中涉及了大量非常引人入胜的化学反应,其识别的底物更是往往具有令人惊叹的复杂结构。在这一方面,CYPs表现的完全不似其原来代谢角色的“包容”,而通常是只在特定的合成通路负责完成一个特定的合成工序,可想而知这意味着它们拥有十分特异的底物识别能力。疥疮链霉菌植物毒素萨克多敏生物合成路径中重要的CYP酶TxtE (Thaxtomin E)能够直接催化左旋色氨酸吲哚环的硝化,是近年鉴定的目前唯一一种可以以一氧化氮NO为原料直接实现芳香烃硝化的细胞色素P450家族生物酶。本文即以其为研究对象,力图以结构生物学手段探究该酶底物识别和反应催化的分子过程。为进一步利用蛋白质工程手段实现可能的分子改造和工业应用奠定基础。本论文对TxtE酶进行异源重组表达、提纯、结晶,利用同源建模和分子置换的方法成功解析了其三维晶体结构,并在该工作基础上对其底物识别特性进行了一定程度的探讨。TxtE的三维结构清晰地展示了一条底物进入活性位点的通道以及一条独特的电子传递通道,随后的工作初步判定了底物在活性中心的成键环境和结合形式。对TxtE的结构生物学研究和底物识别特性的探讨,有助于未来可能的绿色硝化工艺的实现,也有助于我们对该家族分子机理的深入了解。本文在附录部分简要介绍了作者在读期间参与的关于布尼维尔病毒核蛋白结构解析以及天然药物高通量筛选体系建设等其他研究课题的内容。