手性吡咯烷是藥物和生物活性分子的重要藥效團(tuán),已經(jīng)用于多種藥物分子的合成。例如,(R)-2-(2,5-二氟苯基)吡咯烷是合成廣譜抗癌藥拉羅替尼的關(guān)鍵手性中間體。課題組從棒狀鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)了一種天然亞胺還原酶ScIRED,其能夠催化環(huán)狀亞胺2-(2,5-二氟苯基)-吡咯啉不對(duì)稱(chēng)還原,合成(R)-2-(2,5-二氟苯基)吡咯烷,產(chǎn)物ee值高達(dá)99%以上。然而,該天然酶活性較低,難以滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的需求。
圖片說(shuō)明:亞胺還原酶ScIRED分子改造殘基及晶體結(jié)構(gòu)解析
圖片說(shuō)明:亞胺還原酶催化的拉羅替尼關(guān)鍵手性中間體合成
研究人員基于解析的晶體結(jié)構(gòu),利用半理性的蛋白質(zhì)工程技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分子進(jìn)化,獲得了具有催化性能顯著提升的工程化亞胺還原酶。其中,酶比活力提升了107倍,高達(dá)19.2 U mg–1,為迄今報(bào)道的最高酶活性IRED;半衰期提升了277倍,從0.13小時(shí)提高到36小時(shí),Tm從24.6°C增加到56.5°C。研究人員進(jìn)一步通過(guò)酶-底物復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)解析和分子動(dòng)力學(xué)模擬,揭示了酶催化性能提高的分子機(jī)制。最后,研究人員利用創(chuàng)制的工程酶作為高效催化劑,實(shí)現(xiàn)了拉羅替尼手性中間體的公斤級(jí)制備。該工藝中底物濃度高達(dá)80 g L–1,時(shí)空產(chǎn)率高達(dá)352 g/L/d,為迄今報(bào)道亞胺還原酶的最高生產(chǎn)效率,有力地推動(dòng)了亞胺還原酶在制藥工業(yè)中的應(yīng)用。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上基金等項(xiàng)目的資助。華東理工大學(xué)陳琦副教授、碩士研究生李薄薄和湖北大學(xué)張麗蘭副教授為論文共同第一作者,華東理工大學(xué)鄭高偉教授與湖北大學(xué)郭瑞庭教授分別為論文通訊作者。
論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03783
參考資料:https://news.ecust.edu.cn/2022/1218/c160a170192/pagem.htm
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