生物催化在手性化合物合成中的選擇性調(diào)控策略

生物催化在手性化合物合成中的選擇性調(diào)控策略

手性化合物，特別是單一對(duì)映體，在制藥、農(nóng)業(yè)化學(xué)和精細(xì)化工等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的價(jià)值。生物催化，尤其是酶催化，因其高立體選擇性、溫和的反應(yīng)條件及環(huán)境友好等特性，已成為合成手性化合物的核心技術(shù)之一。其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠精準(zhǔn)地生成特定構(gòu)型的產(chǎn)物，而實(shí)現(xiàn)這一精準(zhǔn)合成的關(guān)鍵在于對(duì)酶選擇性的有效調(diào)控。本文將從酶的種類、調(diào)控策略及具體應(yīng)用數(shù)據(jù)等方面，系統(tǒng)闡述生物催化在手性化合物合成中的選擇性調(diào)控策略。

一、 關(guān)鍵生物催化劑及其選擇性類型

用于手性合成的生物催化劑主要包括氧化還原酶（如酮還原酶KREDs、單加氧酶P450s）、水解酶（如脂肪酶、酯酶、環(huán)氧水解酶）、轉(zhuǎn)移酶（如轉(zhuǎn)氨酶ATAs）和裂合酶等。它們催化的選擇性主要分為三類：

1. 對(duì)映體選擇性：區(qū)分外消旋底物中的兩個(gè)對(duì)映體，優(yōu)先轉(zhuǎn)化其中之一。這是手性拆分中最常用的策略。

2. 非對(duì)映體選擇性：區(qū)分分子內(nèi)具有兩個(gè)或多個(gè)手性中心的底物中的非對(duì)映異構(gòu)體。

3. 區(qū)域選擇性：選擇性催化底物分子中特定官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，而其他相同官能團(tuán)不受影響。

下表列舉了幾類常見(jiàn)酶催化的反應(yīng)類型及其典型的選擇性：

酶類別	代表酶	典型反應(yīng)	主要選擇性類型
氧化還原酶	酮還原酶 (KREDs)	前手性酮不對(duì)稱還原	對(duì)映體選擇性
水解酶	脂肪酶 (Lipases)	酯的水解/酯交換	對(duì)映體選擇性、區(qū)域選擇性
轉(zhuǎn)移酶	轉(zhuǎn)氨酶 (ATAs)	酮的氨基化	對(duì)映體選擇性
裂合酶	羥腈裂解酶 (HNLs)	醛/酮與HCN加成	對(duì)映體選擇性

二、 選擇性調(diào)控的核心策略

對(duì)酶催化選擇性的調(diào)控是一個(gè)多維度工程，主要策略如下：

1. 蛋白質(zhì)工程：這是最直接和強(qiáng)大的調(diào)控手段。通過(guò)理性設(shè)計(jì)、定向進(jìn)化或半理性設(shè)計(jì)，對(duì)酶活性中心的氨基酸殘基進(jìn)行改造，從而改變其空間構(gòu)象和電子分布，最終調(diào)控其與底物的結(jié)合模式和對(duì)映體識(shí)別能力。例如，對(duì)脂肪酶活性中心的“立體選擇性口袋”進(jìn)行突變，可以反轉(zhuǎn)其對(duì)映體偏好性。

2. 反應(yīng)介質(zhì)工程：反應(yīng)環(huán)境極大地影響酶的結(jié)構(gòu)和柔性，進(jìn)而影響其選擇性。調(diào)控策略包括：

- 溶劑工程：使用不同極性的有機(jī)溶劑（如離子液體、深共晶溶劑）替代部分水相，可顯著改變酶的對(duì)映體比率（E值）。

- 底物微擾：通過(guò)改變底物濃度、使用表面活性劑或添加助溶劑來(lái)改變底物在反應(yīng)體系中的狀態(tài)，影響酶-底物復(fù)合物的形成。

3. 底物工程：在不改變目標(biāo)手性中心的前提下，對(duì)底物分子進(jìn)行“偽裝”，例如引入或修飾其保護(hù)基團(tuán)，可以改變底物分子的大小和疏水性，使其更匹配酶的活性口袋，從而獲得更高的選擇性。

4. 過(guò)程工程：優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程參數(shù)，如溫度、pH值、共底物循環(huán)系統(tǒng)等。溫度尤其關(guān)鍵，它能改變酶的動(dòng)力學(xué)術(shù)平性，有時(shí)微調(diào)溫度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)映體選擇性的顯著提升。

下表展示通過(guò)不同調(diào)控策略改善酶選擇性的實(shí)例數(shù)據(jù)：

目標(biāo)產(chǎn)物	所用酶	調(diào)控策略	對(duì)映體過(guò)量值 (ee%) 提升	參考文獻(xiàn)(示例)
(S)-1-苯乙醇	脂肪酶 (CALB)	溶劑工程（正己烷替代緩沖液）	50% → >99%	Org. Process Res. Dev., 2018
(R)-	轉(zhuǎn)氨酶 (ATA)	定向進(jìn)化（關(guān)鍵位點(diǎn)突變）	80% → >99%	Nature Chem. Biol., 2016
手性環(huán)氧氯丙烷	環(huán)氧水解酶	底物工程（使用醋酸乙烯酯）	70% → 95%	Adv. Synth. Catal., 2020
阿托伐他汀側(cè)鏈	酮還原酶 (KRED)	過(guò)程工程（優(yōu)化pH與溫度）	90% → 99.5%	J. Am. Chem. Soc., 2019

三、 擴(kuò)展應(yīng)用與未來(lái)展望

選擇性調(diào)控策略的成功應(yīng)用，極大地推動(dòng)了生物催化在工業(yè)化生產(chǎn)手性化合物中的應(yīng)用。例如，Codexis公司通過(guò)定向進(jìn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)了高選擇性的轉(zhuǎn)氨酶，用于生產(chǎn)降血糖藥物西格列汀的手性胺，其過(guò)程綠色高效，獲得了美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)。此外，在動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分和級(jí)聯(lián)反應(yīng)中，通過(guò)巧妙組合具有互補(bǔ)選擇性的酶，可以實(shí)現(xiàn)從廉價(jià)底物出發(fā)“一鍋法”高選擇性合成復(fù)雜手性分子，最大限度地減少分離步驟和廢物產(chǎn)生。

未來(lái)，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)中的深入應(yīng)用，對(duì)酶選擇性的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)將變得更加精準(zhǔn)和高效。同時(shí)，挖掘自然界中未被開(kāi)發(fā)的酶資源（宏基因組學(xué)）也將為手性合成提供更多具有新穎選擇性的工具酶。生物催化選擇性調(diào)控策略的發(fā)展，將持續(xù)為綠色化學(xué)和精準(zhǔn)合成提供核心驅(qū)動(dòng)力。

綜上所述，生物催化已成為手性化合物合成不可或缺的平臺(tái)技術(shù)。通過(guò)綜合運(yùn)用蛋白質(zhì)工程、反應(yīng)介質(zhì)工程、底物工程和過(guò)程工程等多維度策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)酶立體選擇性的精細(xì)調(diào)控，從而滿足不同手性化合物高效、綠色合成的需求。這一領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，必將對(duì)制藥和精細(xì)化工行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。