生物催化在绿色化学和新药开发中的应用_陈振明

第 19 卷 第 12 期 2007 年 12 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 19 No. 12 Dec. , 2007
生物催化在绿色化学和新药开发中的应用 3
陈振明1 刘金华2 陶军华2 ,3 3 3
(1. 浙江工业大学生物与环境工程学院 , 杭州 310032 ; 2. 杭州师范大学材料与化学化工学院 ,杭州 310036 ; 3. BioVerdant , Inc. , 7330 Carroll Road , San Diego , CA 92121 , USA)
关键词 基因库 蛋白质库 生物催化 绿色化学 天然药物 药物合成 代谢工程 中图分类号 : Q814 ; O62113 + 3 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2007) 1221919209
Biocatalysis for Green Chemistry and Drug Development
选往往是定向进化中最费时费钱的步骤 。因此 ,有
图式 2 利用腈水解酶合成 pregabalin[7 ,8] Scheme 2 Synthesis of pregabalin by nitrilases[7 ,8]
利用定向进化的 另 一 个 例 子 是 用 于 ( R ) 242 cyano232hydroxybutyric acid (阿托伐他汀合成路线的 关键中间产物) 合成的腈水解酶的改造 ( 图式 3) 。 初步筛选获得的腈水解酶可在 24 h 内把 32羟基戊 二腈 ( HGN) 完全转化为 ( R) 242氰基232羟基丁酸 ,底 物浓度为 3molΠL 时产物 ee 值为 88 %[17] 。通过基因 位点饱和突变 ( GSSMTM) ,把该酶第 190 位的丙氨酸 变成组氨酸后[18] , 底物浓度为 3molΠL 时 ,该酶能在 16 h 内将底物 100 %地转化 ,产物 ee 值为 99 %[19] 。
·1920 ·
化 学 进 展
第 19 卷
是 ,该抑制剂的 ketomethylene peptidomimetic 部位上
一个键不寻常断裂的发现使得从 P1 , P2 , P3 和 P4 4
个单元合成这种复杂的化合物成为可能 (图式 1) 。
该合成工艺成功开发的关键是从 P2 的酮酸前体通
过连续的酶法还原获得高产率 (80 % —88 %) 和高 ee
如 , pelitrexol 是一种 GARFT 抑制剂 ,其第一代合成
路线有 20 步反应 ,收率仅为 2 %。通过逆合成分析
建立了一条新的合成路线 ,该方法将 Sonogashira 偶
合和酶拆分结合 , 合成步骤减少到 9 步 ,总产率提
高到 10 % —15 %[12] 。
除了工艺设计 (process engineering) 、底物修饰 、
建立 (图式 2) ,首先从基因数据库通过克隆建立一
个腈 水 解 酶 文 库 , 从 中 获 得 一 个 来 自 Arabidopsis
thaliana 的腈水解酶作7 ,8] 。不需要的 ( R) 异构
体在碱性条件下很容易回收 。庞大的突变体库的筛
Chen Zhenming1 Liu Jinhua2 Tao , J unhua2 ,3 3 3 (1. College of Biological & Environmental Engineering , Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310032 , China ; 2. College of Material , Chemistry and Chemical Engineering , Hangzhou Normal University , Hangzhou 310036 , China ;
总之 ,为找到经济和环境友好的药物合成途径 , 生物催化需要和现代化学合成技术在逆合成水平上 进行整合[22] 。生物转化的成功实施需要底物修饰 、 介质优化 、工艺设计 、酶学和基于生物信息学的新酶 发现和定向进化等策略的综合运用 。
图式 5 利用化学拆分合成 pregabalin[25] Scheme 5 Chemical synthesis of pregabalin by classic resolution[25 ]
Key words GenBank ; protein data bank ( PDB ) ; biocatalysis ; green chemistry ; natural products ; drug synthesis ; metabolic engineering
1 生物催化在药物合成中的应用
第 12 期
到 30 gΠLΠh[20 ,21] 。
陈振明等 生物催化在绿色化学和新药开发中的应用
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图式 4 DERA 催化醛醇缩 合 反 应 用 于 他 汀 类 药 物 合 成 [20 ,21 ] Scheme 4 Synthesis of statin drugs by DERA2catalyzed aldol reaction[20 ,21]
2 生物催化在绿色化学中的应用
生物催化正成为一种重要的药物分子绿色合成 技术 。该技术满足绿色化学的 12 个原则 , 对绿色 化学的发展日趋重要[23 ,24] 。具体而言 ,生物催化可 通过催化高立体和高区域选择性反应来防止废物的 产生 ,利用水作为反应溶剂来防止或减少有害有机 溶剂的应用 ,根据催化反应在常温常压进行的特性 来设计高能效和安全的化学合成工艺 ,充分利用可 降解的可再生原料以提高原子经济效益 。本节列举 一些新近的生物转化例子 ,说明生物催化在建立环 境友好和经济有效的绿色化学过程中的应用前景 。
介质优化和其他反应工程方法可以用在工业规模建
立药物合成的化学酶法工艺外 ,新酶发现和定向进
化也可以作为备选的整合方法 。随着基因数据库和
蛋白质数据库的迅速扩大 ,借助生物信息学方法 ,在
短时间内可获得一个酶库 。随后 ,可对最佳的生物
催化剂 (但还不是最优化的) 进行改造 。如腈水解酶
催化的 pregabalin (LyricaTM 的活性成分) 合成工艺的
摘 要 近年来生物技术领域有了突破性进展 ,如公共基因数据库 ( GenBank) 和蛋白质数据库 ( PDB) 中 序列的指数增长 ,高效基因克隆和表达平台的建立 ,可有效改进生物催化剂专一性 、选择性和稳定性的酶定 向进化技术的应用 。这些进展使生物催化在化学合成中日趋重要 。本文综述了生物催化在如下领域的成功 应用 :在药物生产中用于开发经济的化学酶法合成工艺 ,在绿色化学领域中最大程度地减少废物的产生和危 险试剂的应用 ,在天然化学领域中对天然产物进行修饰以发现具有更好生物活性的新药物 。
6) ,酶拆分在第一步进行 ,不需要的对映体可以很容 易回收[26 —28] 。相比之下 ,利用化学方法对二酯进行 区域和立体选择性水解仍有挑战性 。另外 ,图式 6 的 3 步反应都在水中进行 。因此 ,该新工艺不仅免 除了传统的 ( S) 2扁桃酸化学拆分过程和图式 5 所示 的大部分有机溶剂 , 不需要对映体的回收 ,同时还 可以使收率和通量 (throughput) 加倍提高 。
3. BioVerdant , Inc. , 7330 Carroll Road , San Diego , CA 92121 , USA)
Abstract Biocatalysis is becoming a transformational technology for chemical synthesis as a result of recent breakthroughs in biotechnology ———exponential growth in publically available sequences from the gene database and protein data bank ( PDB ) , efficient molecular cloning and protein expression platforms , powerful directed enzyme evolution technologies to improve biocatalyst’s specificity , selectivity and stability. In this review , the focus will be directed to its applications in drug manufacturing to deliver cost2effective chemoenzymatic processes , green chemistry to minimize the generation of wastes and usage of hazardous reagents , and natural product modification to discover novel therapeutics with improved biological profiles.
值(
>
9919
%) 的
P [7 ,8 ] 2
。这一新的化学酶法合成路
线比原化学合成过程减少了 5 步 ,成本显著降低 。
必要建成一个高质量的 、目标明确的突变库 ,并建立 高效的高通量筛选方法 ,以减少获得最佳突变株所 需的时间和费用[15 ,16] 。
图式 1 由 P2 合成 ruprintrivir[7 ,8]
图式 3 腈 水 解 酶 定 向 改 造 后 用 于 阿 托 伐 他 汀 合 成 [17 —19 ] Scheme 3 Synthesis of atorvastatin by directed evolution of nitrilases[17 —19]