生物催化技术在药物合成中的应用

自1833年首次发现淀粉酶开始，生物学家对各种天然酶展开了持续的探索和挖掘。“锁钥模型”、“诱导契合学说”的建立和蛋白质结构的解析使酶的催化机理逐渐清晰，加速了工业酶的发掘和应用。迄今为止共发现4000多种酶，国际酶学委员会根据酶催化反应的类型，把酶共分为6大类，即氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶。手性药物合成中常见的酶催化反应类型则主要包括：酮还原酶，转氨酶，亚胺还原酶，水解酶，氨基酸脱氢酶等。

图1 KRED应用循环

表1 KRED应用案例

图2 转氨酶反应过程

ω-转氨酶(Transaminase, ATA)是一种利用异丙胺、丙氨酸等廉价氨供体合成手性胺的生物酶。相较于传统合成手性胺往往需要使用过渡金属、有机溶剂、成本高、对映选择性低等问题，转氨酶催化合成手性胺具有体系简单、条件温和、立体选择性和区域选择性好等特点，且其不对称合成手性胺的理论收率高达100%。

Codexis与Merck公司联合开发的转氨酶催化合成II型糖尿病治疗药物Sitagliptin，该工艺成功实现工业化，并获得2010年美国总统化学挑战奖。表2为部分酮还原酶的应用案例。

表2 转氨酶应用案例

转氨酶由于其反应机理方面的限制，只能催化前手性酮生成手性伯胺。而亚胺还原酶(Imine reductase, IRED)是一种依赖于辅酶NAD(H)或NADP(H)的还原酶，可催化亚胺底物还原为手性胺，且不局限于伯胺，拓展了生物酶在手性胺合成方面的应用。2010年Mitsukura et al.首次报道了两种NADPH依赖的亚胺还原酶Streptomyces sp. GF3587 和 Streptomyces sp. GF3546，可将底物2-甲基吡咯啉分别还原为两种构型的仲胺。同时，亚胺还原酶在1-芳基四氢异喹啉类化合物和甾体生物碱的合成中均有一定的应用潜力。

除了具有亚胺还原活性外，部分IRED还具有催化还原胺化(Reductive amination)反应的能力，可以以酮或醛为底物，伯胺为氮源，直接催化生成手性仲胺。目前亚胺还原酶已成功应用于R-rasagiline和GSK2879552、Abrocitinib等中间体的合成。

表3 亚胺还原酶应用案例

水解酶（Hydrolase）是催化水解反应的一类酶的总称，是目前数量最多，种类最庞大的一类酶，常见的水解酶类型包括：脂肪酶、腈水解酶、酰胺酶、环氧水解酶、核苷酶等。其中脂肪酶的底物谱较广，已广泛应用于水解反应、转酯反应等过程，如Prostaglandin和Moxifloxacin前体的合成。同时，水解酶也可应用于外消旋体的拆分，获得手性纯的化合物。

表4 水解酶应用案例