張志鈞 郁惠蕾 許建和

（華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室，上海 200237）

醫(yī)藥化學(xué)品的綠色生物制造

張志鈞 郁惠蕾 許建和

（華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室，上海 200237）

隨著能源、資源和環(huán)境危機的加劇，人們對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的呼聲也越來越高，一些以高污染、高能耗為特征的傳統(tǒng)加工制造業(yè)迫切需要進行技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，逐步向更加環(huán)境友好的生物制造業(yè)轉(zhuǎn)變。主要介紹了近五年來醫(yī)藥化學(xué)品的綠色生物制造研究進展，并對今后的發(fā)展趨勢進行了展望。

醫(yī)藥化學(xué)品作為精細化學(xué)品的重要門類之一，具有附加值高、用途廣泛和技術(shù)含量高等特點1。近年來，隨著人們生活水平、保健水平和社會醫(yī)療水平的提高，制藥行業(yè)對醫(yī)藥化學(xué)品的種類、品質(zhì)和需求量也都大大增加?？梢哉f，醫(yī)藥化學(xué)品的研發(fā)和制造水平不僅關(guān)系到人類健康、社會穩(wěn)定和環(huán)境保護等諸多社會問題，同時也是衡量一個國家社會和科技發(fā)展水平的一個重要標準。雖然我國的醫(yī)藥化學(xué)品行業(yè)在經(jīng)過多年的努力和發(fā)展后，已經(jīng)達到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模和較高的水平，但也面臨著資源浪費、能源短缺和環(huán)境污染等諸多問題。要解決上述問題，關(guān)鍵在于對傳統(tǒng)制造工藝的革新和技術(shù)升級，大力發(fā)展以“可持續(xù)發(fā)展”、“綠色化學(xué)”和“環(huán)境友好制造”為特色的醫(yī)藥化學(xué)品綠色生物制造工藝。特別是2015年新環(huán)保法實施以來，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的化工企業(yè)面臨著更加嚴峻的法律約束，另一方面也促使傳統(tǒng)的化工企業(yè)越來越關(guān)注綠色生物制造技術(shù)，積極開展技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，迎合我國社會可持續(xù)健康發(fā)展的要求2。

生物催化與生物轉(zhuǎn)化技術(shù)作為新一代工業(yè)生物技術(shù)的主體，具有反應(yīng)條件溫和、催化效率高、選擇性好、副產(chǎn)物少、能耗低、催化劑無毒且可降解等綠色生物制造的典型特征，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注和重視，同時也成為各國科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點。如美國在21世紀發(fā)展規(guī)劃中預(yù)計，到2020年，通過生物催化技術(shù)，將實現(xiàn)降低化學(xué)工業(yè)的原料消耗、水資源消耗和能量消耗30%，減少污染物的排放和污染擴散30%。我國在2007年頒布的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中對生物產(chǎn)業(yè)進行了重點部署，提出到2020年全國生物產(chǎn)業(yè)增加值突破2萬億元，發(fā)展成為高技術(shù)領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)3。因此，大力發(fā)展醫(yī)藥化學(xué)品的綠色生物制造，實現(xiàn)醫(yī)藥化學(xué)品由傳統(tǒng)加工向綠色生物制造轉(zhuǎn)變，對解決能源、資源和環(huán)境危機，引領(lǐng)社會持續(xù)健康發(fā)展具有巨大促進作用，符合當(dāng)前經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，對我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。

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1 醫(yī)藥化學(xué)品的綠色生物制造研究進展

1.1 手性醇的酶促不對稱合成

光學(xué)純手性醇是合成一系列醫(yī)藥化學(xué)品的重要中間體，如紫杉醇是一類非常重要的抗腫瘤藥物，其作用是抑制腫瘤細胞的復(fù)制和轉(zhuǎn)移。目前利用生物法合成手性醇的方法主要有兩種：一種是利用酯酶對消旋酯的選擇性水解進行拆分或利用脂肪酶對消旋醇的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)進行拆分；另一種是利用羰基還原酶對潛手性酮進行立體選擇性還原。其中，利用羰基還原酶催化的不對稱合成方法可以實現(xiàn)100%的理論得率，反應(yīng)條件溫和、原子經(jīng)濟性高，是合成手性醇的高效、綠色途徑，因而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注4。

（R）-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯是全球年銷售額首次超過百億美元的重磅炸彈級降膽固醇藥物——立普妥的關(guān)鍵手性砌塊，美國著名的生物催化劑公司Codexis（現(xiàn)已與默克制藥合并）開發(fā)了一條三酶兩步法由4-氯乙酰乙酸乙酯合成（R）-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的綠色催化工藝，首先利用羰基還原酶催化4-氯乙酰乙酸乙酯不對稱還原反應(yīng)合成（S）-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，并偶聯(lián)了一個葡萄糖脫氫酶實現(xiàn)昂貴輔因子NADPH的原位再生，生成的（S）-4-氯-3-羥基丁酸乙酯再以氰基為親核供體，通過鹵醇脫鹵酶催化生成（R）-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯（圖1）。為了提高該生物催化過程的效率，他們利用蛋白質(zhì)工程手段分別對羰基還原酶和鹵醇脫鹵酶進行分子改造，最終使得該過程實現(xiàn)了2000L規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，Codexis公司也因為他們的創(chuàng)造性工作獲得了2006年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎5。

浙江大學(xué)楊立榮教授課題組對降血脂藥物立普妥中間體的酶促合成進行了系統(tǒng)研究，他們發(fā)現(xiàn)克菲爾乳桿菌醇脫氫酶（LkADH）的一個四重突變體（A94T/F147L/L199H/A202L）所能催化的底物結(jié)構(gòu)與他們的目標底物6-氯-3，5-二羰基己酸叔丁酯的結(jié)構(gòu)比較類似，據(jù)此推測LkADH的四重突變體也可能對他們的目標底物具有比較好的催化活力。為此他們克隆了該目標突變體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四重突變體酶的比活力比野生型酶提高了42倍，比另一個能夠催化目標底物反應(yīng)的醇脫氫酶LbADH也提高了3.7倍。接著，為了克服目標底物在水溶液中穩(wěn)定性較差以及對酶產(chǎn)生抑制這兩個瓶頸問題，他們采用了流加底物的策略使反應(yīng)過程中底物濃度始終維持在一個較低的水平，同時結(jié)合反應(yīng)溫度、pH、輔酶濃度以及催化劑上載量等過程參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，在最優(yōu)條件下，100g/L（427mmol/L）的6-氯-3，5-二羰基己酸叔丁酯可被完全轉(zhuǎn)化為（S）-6-氯-5-羥基-3-羰基己酸叔丁酯，產(chǎn)物得率和對映體過量值分別達到了94%和99.5% ee（圖2）6。

圖1 三酶兩步法合成（R）-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

圖2 酶法合成（S）-6-氯-5-羥基-3-羰基己酸叔丁酯

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筆者課題組通過基因組挖掘策略從天藍色鏈霉菌中克隆了一個對4-氯乙酰乙酸乙酯具有高催化活力和高立體選擇性的NADH依賴型羰基還原酶，在水-甲苯兩相體系中以表達該羰基還原酶的重組大腸桿菌細胞為催化劑，可將濃度高達600g/L（3.6mol/L）的4-氯乙酰乙酸乙酯完全轉(zhuǎn)化為（S）-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，產(chǎn)物的分離得率和對映體過量值分別達到了93%和99% ee以上，時空產(chǎn)率高達609g/（L·d）。特別需要指出的是，該羰基還原酶能夠以異丙醇為輔底物，實現(xiàn)昂貴輔因子的原位再生，整個過程無需額外添加葡萄糖和偶聯(lián)葡萄糖脫氫酶來實現(xiàn)輔因子再生，避免產(chǎn)生不利于產(chǎn)物提取純化的葡萄糖酸內(nèi)酯（圖3）7。

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氯吡格雷（商品名波立維）是第二個全球年銷售額達到百億美元的重磅炸彈藥，其合成的關(guān)鍵手性中間體是（R）-鄰氯扁桃酸甲酯。目前合成（R）-鄰氯扁桃酸甲酯的方法包括：脂肪酶/酯酶催化的鄰氯扁桃酸酯或乙酰氧基鄰氯苯乙酸的動力學(xué)水解拆分；腈水解酶介導(dǎo)的鄰氯扁桃腈動態(tài)動力學(xué)水解拆分和羰基還原酶催化鄰氯苯甲酰甲酸酯的不對稱還原。其中，羰基還原酶催化鄰氯苯甲酰甲酸酯的不對稱還原由于可以獲得100%的理論得率和實現(xiàn)輔因子的原位再生而受到眾多學(xué)者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。日本學(xué)者Ema課題組通過將來源于巨大芽孢桿菌的葡萄糖脫氫酶（BmGDH）和釀酒酵母的羰基還原酶（Gre2p）在大腸桿菌中進行共表達，可以實現(xiàn)由鄰氯苯甲酰甲酸甲酯合成（R）-鄰氯扁桃酸甲酯，產(chǎn)物濃度達到了198g/L8。筆者課題組也在羰基還原酶不對稱合成（R）-鄰氯扁桃酸甲酯方面進行了系統(tǒng)研究，首先以酵母羰基還原酶Gre2p的基因序列為模板，在基因數(shù)據(jù)庫中進行虛擬篩選獲得了一個高效的羰基還原酶（CgKR1），并將其與葡萄糖脫氫酶在大腸桿菌中進行基因共表達。當(dāng)以重組大腸桿菌的凍干酶粉為催化劑時，可將300g/L的鄰氯苯甲酰甲酸甲酯完全轉(zhuǎn)化為（R）-鄰氯扁桃酸甲酯，產(chǎn)物得率、對映體過量值和時空產(chǎn)率分別達到了87%、98.7% ee和700g/（L·d）9。接著，利用基因組數(shù)據(jù)挖掘的策略從枯草芽孢桿菌的基因組中克隆了另一個更為高效的羰基還原酶（YtbE），當(dāng)和葡萄糖脫氫酶進行基因共表達后，可將高達500g/L的鄰氯苯甲酰甲酸甲酯完全轉(zhuǎn)化為（R）-鄰氯扁桃酸甲酯，產(chǎn)物得率、對映體過量值和時空產(chǎn)率進一步提高到了88%、＞99% ee和812g/（L·d）（圖4）10。

圖3 羰基還原酶催化合成（S）-4-氯-3-羥基丁酸乙酯

圖4 酶法不對稱合成（R）-鄰氯扁桃酸甲酯

（R）-2-羥基-4-苯基丁酸乙酯是合成一系列血管緊張素轉(zhuǎn)移酶抑制劑的重要手性合成子，而后者是治療高血壓和充血性心力衰竭的重要藥物。盡管已經(jīng)有多種合成（R）-2-羥基-4-苯基丁酸乙酯的方法報道，但是如同前面所述，羰基還原酶催化的不對稱合成策略因具有多種天然優(yōu)勢而受到更多的關(guān)注，不過需要指出的是該路線仍然存在著一些局限性，如酶的活力不高、底物上載量較低和立體選擇性不夠理想等，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。為了克服以上問題，筆者課題組采用數(shù)據(jù)庫挖掘策略，通過虛擬篩選和實體酶庫的性能評估，獲得一個能高效合成（R）-2-羥基-4-苯基丁酸乙酯的羰基還原酶（CgKR2），當(dāng)和葡萄糖脫氫酶進行基因共表達后，可以催化206g/L（1mol/L）的2-羰基-4-苯基丁酸乙酯完全轉(zhuǎn)化為（R）- 2-羥基-4-苯基丁酸乙酯，產(chǎn)物得率、對映體過量值和時空產(chǎn)率分別達到了84%，＞99% ee和700g（/L·d）（圖5）11。

光學(xué)純β-羥基腈是合成治療偏頭痛、焦慮、睡眠和記憶混亂等藥物（如氟西汀、阿托西汀和尼索西汀等）的重要中間體。筆者課題組從實驗室自行構(gòu)建的羰基還原酶庫中篩選到兩個羰基還原酶DhCR和CgCR，它們在催化酮腈不對稱還原時表現(xiàn)出完全相反的立體選擇性，以共表達這兩個羰基還原酶和葡萄糖脫氫酶的重組大腸桿菌細胞作為催化劑，在水-甲苯兩相反應(yīng)體系中可以實現(xiàn)一系列苯甲酰乙腈衍生物的不對稱還原得到相應(yīng)的光學(xué)純β-羥基腈，底物濃度可達145g/L，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的光學(xué)純度均大于99% ee（圖6）12。

光學(xué)純3-奎寧醇是一類非常重要的醫(yī)藥中間體，如（R）-3- 奎寧醇可用于合成他沙利定、瑞伐托酯和西維美林，而（S）-3-奎寧醇則是合成5-羥色胺受體拮抗劑藥物和新型抗膽堿藥物的重要合成子。筆者課題組從放射形土壤桿菌中克隆了一個對3-奎寧酮具有高催化活力和立體選擇性的羰基還原酶（ArQR），同樣地通過將ArQR與葡萄糖脫氫酶共表達的策略來實現(xiàn)輔因子的原位再生，可將濃度達242g/L的3-奎寧酮完全轉(zhuǎn)化為（R）-3-奎寧醇，產(chǎn)物的光學(xué)純度＞99% ee，時空產(chǎn)率高達916g/（L·d）（圖7）13。

圖5 生物催化不對稱合成（R）-2-羥基-4-苯基丁酸乙酯

圖6 羰基還原酶催化合成手性3-羥基-3-苯基丙腈

圖7 酶法不對稱還原奎寧酮合成（R）-3-奎寧醇

（R）-α-硫辛酸是一種強抗氧化劑，不僅可被用于治療糖尿病、肝病等疾病，還可作為人體的營養(yǎng)補充劑，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健品等領(lǐng)域。光學(xué)純（R）- 6-羥基-8-氯辛酸乙酯作為（R）-α-硫辛酸的重要手性前體，其制備方法也受到了廣泛關(guān)注。其中利用羰基還原酶催化8-氯-6-羰基辛酸乙酯不對稱還原的方法，因理論得率和原子經(jīng)濟性高，具有廣闊的應(yīng)用前景。筆者課題組以8-氯-6-羰基辛酸乙酯為底物，通過對實驗室的羰基還原酶庫和保藏的酵母菌株進行篩選，首先得到能催化目標底物反應(yīng)的酵母菌，再利用生物信息學(xué)的手段分析目標菌株中潛在的羰基還原酶基因并進行虛擬篩選，接著對所選定的基因進行克隆和功能驗證，最終獲得一個能高效催化目標底物的羰基還原酶。經(jīng)過一系列的反應(yīng)條件優(yōu)化后，以共表達該羰基還原酶和葡萄糖脫氫酶的重組大腸桿菌細胞為催化劑，可將濃度為330g/L的底物完全轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物的光學(xué)純度在99% ee以上，時空產(chǎn)率達530g（/L·d）（圖8）14。

圖8 酶法不對稱合成光學(xué)純（R）-6-羥基-8-氯辛酸乙酯

1.2 手性酸的生物催化合成

手性酸也是一大類非常重要的醫(yī)藥中間體，如（R）-扁桃酸是半合成β-內(nèi)酰胺類抗生素的重要中間體。目前手性酸的制備方法主要包括酯酶/脂肪酶催化酯或羥基?；苌锏乃獠鸱只蜣D(zhuǎn)酯化反應(yīng)，也可利用腈水解酶催化氰基的水解反應(yīng)來制備15。如筆者課題組以乙腈為唯一碳源，從土壤中篩選得到一株對扁桃腈具有高選擇性的腈水解酶產(chǎn)生菌，進一步通過將目標酶克隆并在大腸桿菌中過量表達和反應(yīng)條件優(yōu)化，顯著提高了（R）-扁桃酸的生產(chǎn)效率。為了緩解底物扁桃腈對腈水解酶的抑制作用，在水-甲苯兩相反應(yīng)體系中通過批次補加底物的策略，使得最終產(chǎn)物的累積濃度達到了93g/L（圖9）16。另外，筆者課題組還通過基因數(shù)據(jù)庫挖掘策略獲得一個對鄰氯扁桃腈具有高水解活力和選擇性的腈水解酶（LaN），在兩相反應(yīng)體系中該重組腈水解酶能夠?qū)?00mmol/L底物完全轉(zhuǎn)化為（R）-鄰氯扁桃 酸，產(chǎn)物得率、光學(xué)純度和時空產(chǎn)率分別達到94.5%， 96.5% ee和154 g/（L·d）（圖9）17。

圖9 腈水解酶催化扁桃腈水解合成光學(xué)純（R）-扁桃酸

光學(xué)純扁桃酸及其衍生物除了可利用腈水解酶對相應(yīng)的扁桃腈及其衍生物進行水解制備外，還可利用酯酶/脂肪酶對扁桃酸酯或2-乙酰氧基苯乙酸進行水解拆分。筆者課題組在前期工作中從土壤中篩選得到一株能夠高對映選擇性水解2-乙酰氧基鄰氯苯乙酸合成光學(xué)純2-羥基鄰氯苯乙酸的惡臭假單胞菌，并對其酯酶基因進行克隆表達。接著，采用理性設(shè)計的策略對該酯酶進行分子改造使其催化效率（kcat/KM）提高100倍，進一步通過底物工程的策略用2-乙酰氧基鄰氯苯乙酸鉀鹽代替原來的鈉鹽作為底物來提高酯酶的穩(wěn)定性，最后利用環(huán)氧樹脂對該酯酶突變體進行固定化并構(gòu)建了填充床反應(yīng)器，實現(xiàn)了光學(xué)鄰氯扁桃酸的連續(xù)制備反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)進行42d后仍未見任何活力損失，時空產(chǎn)率高達3.34 kg /（L·d）（圖10）18。

腎脫氫肽酶抑制劑西司他汀和碳青霉烯類抗生素亞胺培南聯(lián)合使用，是治療重癥感染的重要方法。（S）-2，2-二甲基環(huán)丙烷甲酸作為西司他汀的關(guān)鍵合成砌塊，其制備方法受到廣泛關(guān)注。筆者課題組通過土壤篩選策略，獲得一株能夠高選擇性水解（S）-2，2-二甲基環(huán)丙烷 甲酸乙酯合成（S）-2，2- 二甲基環(huán)丙烷甲酸的紅球菌株。隨后通過鳥槍法克隆了目標酯酶基因，并在大腸桿菌中實現(xiàn)異源高表達，通過反應(yīng)條件的一系列優(yōu)化后，該重組酯酶能夠催化500mmol/L 2，2-二甲基環(huán)丙烷甲酸乙酯水解拆分，產(chǎn)物得率和對映體過量值分別達到了47.8%和97.5% ee（圖11）19。

普瑞巴林作為新一代的抗癲癇藥，被廣泛用于治療神經(jīng)性疼痛、社交恐懼癥和焦慮癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其2013年的全球銷售額達（圖12）20。

圖10 酯酶水解拆分2-乙酰氧基鄰氯苯乙酸合成光學(xué)純鄰氯扁桃酸

圖11 酯酶水解拆分2，2-二甲基環(huán)丙烷甲酸乙酯合成（S）-2，2-二甲基環(huán)丙烷甲酸

圖12 酯酶催化合成普瑞巴林手性前體（S）-2-羧乙基-3-氰基-5-甲基己酸

1.3 手性胺的生物催化合成

手性胺是一系列藥物、生物活性分子以及天然產(chǎn)物的關(guān)鍵合成中間體，目前大約40%的藥物和生物活性分子都含有手性胺砌塊，因此，手性胺的全球銷售額高達數(shù)百億美元/年21。相對于傳統(tǒng)化學(xué)法來說，利用生物催化法實現(xiàn)手性胺的合成具有反應(yīng)條件溫和、選擇性好和綠色環(huán)保等天然優(yōu)勢，其中最典型的例子是2010年Merck和Codexis公司聯(lián)合通過多輪定向進化開發(fā)了一種非天然的轉(zhuǎn)氨酶，可用于西他列汀酮的不對稱氨化合成II型糖尿病治療藥物西他列汀。該路線相對于金屬銠催化的化學(xué)路線，反應(yīng)產(chǎn)率提高了10%～13%，生產(chǎn)能力增加了53%，廢物排放量減少了19%，這兩個公司（現(xiàn)已合并）也因此獲得了2010年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎22。

圖13 雙酶一鍋法由消旋醇合成手性胺

2015年，英國曼徹斯特大學(xué)Turner課題組與德國BASF公司合作，開發(fā)了一條利用雙酶借氫（hydrogenborrowing）級聯(lián)反應(yīng)策略實現(xiàn)由消旋醇合成光學(xué)純手性胺的新途徑，該途徑的亮點在于首先利用醇脫氫酶催化消旋醇氧化成酮的同時，將氧化型輔酶NAD+還原為NADH，而第二步的酮氨化還原酶則以第一步反應(yīng)產(chǎn)生的NADH為輔酶，并以氨水作為氨供體將酮不對稱還原為胺，整個過程可實現(xiàn)輔酶的“自給自足”，而且唯一的副產(chǎn)物是水（圖13）23。利用該路線可以實現(xiàn)一系列芳香仲醇、脂肪仲醇和伯醇的胺化反應(yīng)，產(chǎn)物的得率和光學(xué)純度可達96%和99% ee。幾乎同時，筆者課題組也開發(fā)了相同思路的雙酶偶聯(lián)由消旋醇合成手性胺的級聯(lián)反應(yīng)路線24。

除了手性仲胺外，環(huán)狀手性胺也廣泛存在于多種生物活性藥物分子和天然生物堿中。利用亞胺還原酶對亞胺進行不對稱還原，是合成光學(xué)純環(huán)狀手性胺的重要方法，其優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)100%理論得率。筆者課題組通過基因數(shù)據(jù)庫挖掘策略，篩選得到能夠催化3H-吲哚分別生成（S）-和（R）-二氫吲哚的亞胺還原酶PlS IR和PlRIR，這兩個酶可以催化一系列3H-吲哚衍生物和3H-吲哚碘化物的不對稱還原，產(chǎn)物得率和光學(xué)純度分別達到了87%、＞99% ee和81%、96% ee（圖14）2526。

圖14 亞胺不對稱還原合成手性二氫吲哚

Turner課題組在光學(xué)純環(huán)狀手性胺的酶促合成方面也進行了系統(tǒng)的研究工作，如他們開發(fā)了一條位置和立體選擇性的ω-轉(zhuǎn)氨酶/單胺氧化酶雙酶偶聯(lián)系統(tǒng)來合成光學(xué)純2，5-二取代吡咯烷的新路線（圖15）27。首先從不對稱二酮出發(fā)，利用S-選擇性的轉(zhuǎn)氨酶催化二酮反應(yīng)生成（S）-1，4-氨基酮，該氨基酮可自發(fā)環(huán)化生成（S）-吡咯烷，接著利用氨硼烷對（S）-吡咯烷進行非立體選擇性還原生成（2S，5S）-和（2S，5R）-吡咯烷，同時偶聯(lián)一個位置和立體選擇性的單胺氧化酶對（2S，5S）-吡咯烷進行選擇性氧化生成（S）-吡咯烷，由此可實現(xiàn)目標產(chǎn)物（2S，5R）-吡咯烷的不斷積累，并獲得近乎完美的立體選擇性和非對映立體選擇性（＞94% ee和＞98% de）。最近，Turner課題組又進一步開發(fā)一條由羧酸還原酶、ω-轉(zhuǎn)氨酶和亞胺還原酶組成的三酶偶聯(lián)系統(tǒng)，由酮酸直接合成光學(xué)純的單取代和雙取代的哌啶類化合物和吡咯烷類化合物28。

圖15 化學(xué)酶法合成光學(xué)純2，5-二取代吡咯烷

2 總結(jié)與展望

隨著社會的進步和發(fā)展，人們對健康水平和醫(yī)療水平的期望值也越來越高，制造出品種更加豐富、品質(zhì)更加優(yōu)良的醫(yī)藥化學(xué)品也變得越來越迫切。與此同時，能源、資源和環(huán)境危機的加劇，要求開發(fā)出更加環(huán)保和高效的醫(yī)藥化學(xué)品綠色生物制造工藝。近年來，生物催化技術(shù)在合成醫(yī)藥化學(xué)品領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用，并取得了一系列重大突破。因此，要充分利用當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代基因測序技術(shù)飛速發(fā)展和基因數(shù)據(jù)庫中酶基因資源呈爆炸性增長的機遇，迅速從海量數(shù)據(jù)庫中鑒別并獲得工業(yè)上有用的目標酶蛋白。同時，充分發(fā)揮生物信息學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和高通量篩選技術(shù)等一系列強大技術(shù)手段的支撐作用，對自然界中天然酶進行分子改造以獲得符合工業(yè)應(yīng)用要求的理想生物催化劑，甚至從頭設(shè)計出自然界原本不存在的新型生物催化劑，對推動生物催化技術(shù)進步和開發(fā)新型醫(yī)藥化學(xué)品具有重大意義。最后，生物催化技術(shù)的發(fā)展還需要有機化學(xué)家、生物學(xué)家和工程學(xué)家 緊密合作，發(fā)揮各自特長，共同推動生物催化技術(shù)成為綠色、高效和低成本合成醫(yī)藥化學(xué)品的第一選擇，為人類健康和社會可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.05.002

許建和，教育部長江學(xué)者特聘教授?，F(xiàn)任生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室主任，兼上海生物制造協(xié)同創(chuàng)新中心主任；亞洲生物技術(shù)聯(lián)合會執(zhí)委，第一屆亞洲生物技術(shù)大會共同主席。長期從事生物催化與生物化工研究。

E-mail： jianhexu@ecust.edu.cn