生物催化技术在药物合成中的应用

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生物催化是利用酶、微生物或动植物细胞作为催化剂进行催化反应的技术。与传统化学合成相比,生物催化过程可以在温和条件下高效地进行,避免了昂贵、有毒催化剂的使用,具有更高的化学选择性、立体选择性、区域选择性,副产物少,减少污染等优势,可以实现化学药物的低成本、高质量生产。生物催化技术已经广泛应用于药物、食品、造纸纺织、生物燃料等行业,2021年全球生物酶的市场规模达到63.2亿美元。为促进化学化工行业的绿色可持续发展,以酶为核心的生物催化技术已成为药物绿色合成的重要手段之一。


常见酶催化反应类型

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。

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酮还原酶


生物催化技术在药物合成中的应用  第1张

图1 KRED应用循环


手性醇化合物广泛应用于药物、农药化学品等领域,是重要的合成中间体。酮还原酶(Ketoreductase,KRED)是氧化还原酶家族成员之一,依赖于辅酶NADPH或NADH催化进行氧化还原反应。通过建立如图1所示的辅酶循环途径,KRED可在温和的条件下不对称还原前手性酮或醛获得高立体选择性的手性醇,具有反应条件温和,转化率高,环境友好等特点,其理论产率可达100%。KRED已广泛应用于酮的不对称还原合成手性醇的过程,表1为部分酮还原酶的应用案例。

除简单的不对称合成手性醇外,KRED也可用于动力学拆分(Kinetic resolution)过程及动态动力学拆分(Dynamic kinetic resolution)过程。

表1 KRED应用案例

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转氨

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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

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亚胺还原

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

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水解酶

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

生物催化技术在药物合成中的应用  第6张

生物催化技术的机遇与挑战

生物催化具有过程高效、反应温和、环境友好等特点,是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一,生物催化技术已经越来越多应用到药物中间体合成等方向。然而,生物催化过程也面临着很多挑战。生物催化技术的应用很大程度上依赖于特定生物酶的开发。储备大量酶库并从中快速筛选得到具有特定功能的酶是推动生物催化技术发展的关键。同时,天然酶的性能往往无法直接满足应用或工业化生产需求,需要自上而下地对天然酶的催化活性、选择性、稳定性等特性进行优化和改造。Arnold因酶的定向进化技术获得了2018年诺贝尔化学奖,实现了实验室内蛋白的快速进化。结构生物学、生物信息学的发展也促进了科学家们对催化机理、蛋白结构的理解,结合人工智能、机器学习等方法能够加速酶的进化过程甚至是设计全新的酶。另外,酶的稳定性差和反应体系的后处理较难等问题也制约了生物催化的发展。除通过进化的方法提高酶的稳定性和降低酶用量外,酶的固定化技术也能够在一定程度上解决如上问题,推动生物催化技术的发展与应用

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