手性胺類化合物是現代藥物與農藥設計的關鍵骨架，近四成的已上市藥物都含有這一結構單元。然而，現有合成方法大多側重于手性還原策略，雖然在對映選擇性方面表現優異，卻往往不能在反應中引入新的結構復雜度，限制了其在快速構建藥物分子多樣性方面的應用。因此，如何在保持高選擇性的基礎上，通過碳–碳鍵構建策略實現胺類化合物的高效合成，成為當前合成化學的重大挑戰之一。
生物催化作為綠色合成的前沿力量，其在手性胺合成中的表現尤為亮眼。尤其是依賴吡哆醛-5-磷酸（PLP）輔酶的蘇氨酸醛縮酶（L-threonine aldolase, LTA），能夠通過C–C鍵的構建一步生成非天然手性α-氨基醇，在對映體控制方面幾近完美。然而，其活性受限于氨基酸類小分子底物（如甘氨酸、絲氨酸等），這一“底物壁壘”嚴重限制了其合成應用空間。盡管近年來已有以生物模擬催化劑突破這一局限的嘗試，但其普適性和催化效率仍遠不及天然酶系統。為突破上述困境，本研究嘗試從酶的分子識別機制出發，對蘇氨酸醛縮酶進行工程化改造，以打破其“氨基酸依賴性”，拓展其對芐胺類非天然底物的適應性，從而實現復雜1,2-氨基醇的對映選擇性合成。
圖片來源：JACS
本研究通過對芐胺類底物的α位親核官能化反應，構建了具有復雜結構和高光學純度的1,2-氨基醇。研究團隊以來自極端嗜熱菌Thermatoga maritima的LTA（TmLTA）為母體，通過結構指導的定點突變和多輪定向進化，構建了多個突變體。優化過程以高對映選擇性為前提，逐步提升酶對2-甲基吡啶胺類底物的轉化效率。通過突變N308E、Y87A、R122G和P121T，構建出最終的高性能酶變體TmLTAEAGT，其在低酶負載下即可實現83%產率及>99:1的對映體與非對映體選擇性。
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此外，研究團隊通過紫外光譜（UV-vis）實驗證實突變體能有效促進吡啶類底物形成親核醌亞胺中間體，進而提高C–C鍵構建效率。晶體結構解析揭示了活性位點關鍵殘基R316的構象變化與底物適應性的關系，進一步推動底物范圍從吡啶類擴展至芐胺、咪唑、苯并咪唑等一系列雜環與苯環衍生胺。研究還將關鍵突變位點轉移至結構相似但序列差異較大的PLP酶UstD2.0中，初步驗證了其廣泛適用性。
圖片來源：JACS
本項研究不僅打破了蘇氨酸醛縮酶長期以來對“天然氨基酸”底物的依賴，更首次在分子水平實現對非天然芐胺底物的精準識別與催化轉化，為手性胺類化合物的生物合成提供了全新路徑。在現有合成方法往往依賴多步保護/去保護策略和昂貴催化劑的背景下，該方法展現出卓越的底物兼容性與對映體選擇性，并具備綠色環保、操作簡便等優勢，極具工業轉化潛力。
尤其值得一提的是，該方法通過調控酶活性位點的立體構象，實現了對具有生物活性的芐胺、吡啶胺、吡咯啉、咪唑等多種底物的高效轉化，生成的1,2-氨基醇可進一步轉化為多種藥物關鍵中間體結構，如手性環氧胺、噁唑啉等，極大拓寬了天然酶在復雜分子合成中的應用邊界。此外，研究還表明關鍵突變具有可遷移性，為PLP酶家族功能拓展提供了結構設計參考，標志著“從專一性催化向廣譜性通用催化”的重要躍進。
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標題：Nucleophilic α-Functionalization of Benzyl Amines Using an Engineered Threonine Aldolase
作者：Yao Ouyang,?Suhao Wang,?Damien Sorigue, and Todd K. Hyster*
鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c04097
