<section powered-by="xiumi.us" style="text-align: justify; white-space: normal; margin: 10px 0px; box-sizing: border-box;">
近年來，亞胺還原酶（IRED）因其能夠催化還原胺化反應(yīng)直接合成烷基化手性胺而受到廣泛關(guān)注。然而，已報(bào)導(dǎo)的IRED大多底物譜較窄、催化效率低、且熱穩(wěn)定性差，使得工程化改造成為其工業(yè)化應(yīng)用的必經(jīng)之路。盡管IRED在藥物分子Abrocitinib和GSK2879552的工業(yè)級制備中已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力，但經(jīng)過大量的突變和篩選工作也成為了擴(kuò)展其應(yīng)用范圍的阻礙。因此，開發(fā)精巧的突變策略顯得尤為重要。
氮雜環(huán)手性胺是很多藥物和農(nóng)用化學(xué)品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元。開發(fā)綠色、高效、直接的合成烷基化氮雜環(huán)手性胺具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近日，高書山/雷曉光/孫周通研究員團(tuán)隊(duì)合作，通過蛋白晶體解析、理性設(shè)計(jì)、定點(diǎn)突變和分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，實(shí)現(xiàn)了烷基化氮雜環(huán)胺的高效和高立體選擇性合成，為IRED的理性設(shè)計(jì)和烷基化氮雜環(huán)哌啶胺的工業(yè)級生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
作者以N-Boc-3-哌啶酮和芐胺為模式底物，對IRED酶庫進(jìn)行篩選，僅獲得了催化效率非常低，且R構(gòu)型選擇性很差野生型蛋白IR-G36。基于對野生型蛋白的結(jié)構(gòu)解析，作者首先結(jié)合序列保守性分析和輔因子氫鍵網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等策略對野生型蛋白進(jìn)行定點(diǎn)突變改造，從而顯著提高了酶的催化效率和立體選擇性。隨后，作者結(jié)合活性口袋殘基的定點(diǎn)飽和突變和三輪迭代組合突變策略大幅提高了酶的催化效率（提高3349倍）。作者還通過理性設(shè)計(jì)對酶進(jìn)行了熱穩(wěn)定性改造，結(jié)合蛋白內(nèi)部氫鍵網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)和“consensus”策略，實(shí)現(xiàn)了熱穩(wěn)定性的顯著提高（Tm值提高16.2 ℃）。
最終突變體M5在不同氮雜環(huán)酮與多個(gè)胺供體的制備級反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化效率和立體選擇性，并且在模式底物的百克級制備反應(yīng)中證明了其可放大性。最后，作者結(jié)合突變體和野生型蛋白結(jié)構(gòu)的比較、分子對接以及分子動(dòng)力學(xué)模擬闡明了其高催化效率的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
綜上，本文通過工程化改造IRED，使其催化效率提高了4193倍，穩(wěn)定性Tm值提高了16.2℃，手性選擇性從78% (R) 提高至99% (R)以上，成功實(shí)現(xiàn)一系列烷基化氮雜環(huán)手性胺的工業(yè)級合成。
論文信息
Tuning an Imine Reductase for the Asymmetric Synthesis of Azacycloalkylamines by Concise Structure-Guided Engineering
Dr. Jun Zhang,Dr. Daohong Liao,Dr. Rongchang Chen,Fangfang Zhu,Yaqing Ma,Prof. Lei Gao,Prof. Ge Qu,Prof. Chengsen Cui,Prof. Zhoutong Sun,Prof. Xiaoguang Lei,Prof. Shu-Shan Gao
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202201908
