酶催化分子内不对称还原胺化构建具有重要生物活性的1,4-二氮䓬结构模块

注：文末有本文科研思路分析

失眠是最常见的一种睡眠障碍，在人群中发病率高，根据中国睡眠研究会2016年发布的一组数据显示，中国成年人失眠率高达38.2%，超过3亿中国人有睡眠障碍。苏沃雷生是一类新型的催眠药，2014年获得美国FDA批准用于治疗难以入睡或维持睡眠的首个食欲素受体拮抗剂。临床研究表明，对抗抑郁类镇静药和苯二氮䓬类镇静药产生耐药性的失眠患者，苏沃雷生的治疗效果良好。苏沃雷生的关键结构单元是一个手性1,4-二氮䓬环，但其高效合成仍然具有挑战性。生物催化为获取活性药物成分提供了一种环境友好的途径，近日，中国科学院天津工业生物技术研究所朱敦明研究员（点击查看介绍）和吴洽庆研究员（点击查看介绍）带领的生物催化与绿色化工研究团队利用亚胺还原酶催化分子内不对称还原胺化精准制备了一系列手性1,4-二氮䓬类化合物。

该团队前期建立了含有48种亚胺还原酶的酶库，通过对酶库的筛选发现两个酶表现出互补的立体选择性，（R）-或（S）-构型产物的对映体过量值均大于99%，催化效率分别为0.027 s^-1mM^-1和0.962 s^-1mM^-1。其后对产生苏沃雷生中间体的（R）-选择性亚胺还原酶进行单点饱和突变及迭代组合突变，获得催化效率提高61倍的双突变体。研究团队与斯德哥尔摩大学盛翔博士及所内李金龙助理研究员合作，通过密度函数计算及分子动力学计算，揭示了突变酶催化活力提高的主要原因是酶与NADPH相互作用的改变，这为提高NAD(P)H依赖型氧化还原酶的活力提供了一个新的有效改造思路。

图1. 野生酶及突变体氢转移过渡态的优化结构。

随后利用该突变体实现了苏沃雷生关键中间体的合成（收率81%，>99% ee）。并利用立体选择性互补的两个酶合成了一系列具有不同结构特征的手性1,4-二氮䓬化合物，为该类具有重要生理活性的手性结构模块的精准构建提供了一种有效的生物催化方法。

图2. 合成的1,4-二氮䓬化合物

相关研究成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者是中国科学院天津工业生物技术研究所博士研究生徐泽菲和副研究员姚培圆。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Biocatalytic Access to 1,4-Diazepanes via Imine Reductase-Catalyzed Intramolecular Asymmetric Reductive Amination

Zefei Xu, Peiyuan Yao, Xiang Sheng, Jinlong Li, Jianjiong Li, Shanshan Yu, Jinhui Feng, Qiaqing Wu, Dunming Zhu

ACS Catal., 2020, DOI: 10.1021/acscatal.0c02400

导师介绍

朱敦明

https://www.x-mol.com/university/faculty/49672

吴洽庆

https://www.x-mol.com/university/faculty/65828

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：充分发挥生物催化技术在手性药物合成砌块精准构筑中的作用，阐释生物催化过程中手性控制机理，建立绿色合成工艺一直是我们研究团队的目标。失眠是最常见的一种睡眠障碍，在成年人群中发病率高，超过3亿中国人有睡眠障碍。苏沃雷生是一类新型的催眠药，治疗难以入睡或维持睡眠的首个食欲素受体拮抗剂。手性1,4-二氮䓬是其重要的手性合成砌块，化学合成依旧有挑战，我们研究的最初目的是利用亚胺还原酶合成这一重要的手性胺合成砌块，建立生物催化合成途径。野生酶的低活力促使我们对其进行了蛋白质工程改造。而两个构型互补且高立体选择性酶的发现，激发了我们继续去探索它们合成不同结构特征1,4-二氮䓬化合物的能力。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：快速实现对酶的设计改造，提高酶的性能以达到实际应用的需求，是本研究乃至生物催化领域的挑战。我们团队前期在酶分子改造方面的经验积累发挥了重要作用。另外对于酶催化机制的解析，需要更多计算方面的背景知识，本研究得到了团队外其他老师的帮助，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该成果涉及高光学纯度的手性胺制备，对于化学制药和精细化学品领域的企业来说，在手性化合物生产过程设计时，传统化学法可能遇到立体选择性低、反应步骤多等问题，生物催化法可以弥补这些不足。我们团队已构建了含有多种酶催化剂的手性胺合成平台，能促进精细化工行业的节能减排、转型升级，为企业创造价值。