卤醇脱卤酶的筛选与改造及其在合成手性噁唑烷酮类化合物中的应用研究

Oxazolidinone antibiotics, a new chemical class of synthetic antimicrobial agent, have a unique mechanism of inhibiting bacterial protein synthesis and display bacteriostatic activity against many drug-resistant gram-positive bacteria. The import issue of synthesis of oxazolidinone antibiotics is construction of chiral 5-substituted oxazolidinone skeleton. Halohydrin dehalogenase could catalyze cyanate-mediated biosynthetic process for chiral 5-substituted oxazolidinones, while the process is not applied widely due to the restrictions of activity, enantioselectivity and substrate tolerance. In this project, we are going to screen new halohydrin dehalogenases and engineer the enzymes for obtaining high active and enantioselective halohydrin dehalogenases. The goal is to develop an efficient process for preparing chiral 5-substituted oxazolidinones and establish the fingerprint between halohydrin dehalogenases and series of chiral 5-substituted oxazolidinones. This project has important significance in the synthesis of chiral oxazolidinone and oxazolidinone antibiotics.

噁唑烷酮类抗菌药是一类人工合成的新型治疗细菌性感染药物，因其独特的催化机理，对耐药性革兰氏阳性菌有较好的抗菌活性。噁唑烷酮类抗菌药物合成的关键是手性5-取代噁唑烷酮骨架的构建。卤醇脱卤酶可以催化氰酸根离子(OCN-)动力学拆分环氧化物合成手性5-取代噁唑烷酮，但由于其催化活性、对映体选择性和底物耐受性的限制未能得到广泛应用。因此，本项目拟通过新型卤醇脱卤酶基因的筛选和酶分子的定向改造途径，获得高活性、高对映体选择性和高底物耐受性的卤醇脱卤酶。同时，建立卤醇脱卤酶高效合成系列手性5-取代噁唑烷酮化合物的技术路线，在此基础之上建立卤醇脱卤酶与产物手性5-取代噁唑烷酮的指纹图谱。本项目对手性噁唑烷酮化合物的合成方法学及噁唑烷酮类抗菌药物的合成设计具有重要意义。

噁唑烷酮类化合物是一种重要的医药中间体，广泛用于抗菌类药物的合成。本项目旨在通过研究卤醇脱卤酶催化氰酸根离子与环氧化合物发生[3+2]环加成反应，建立一种生物催化合成噁唑烷酮化合物的绿色技术路线。本项目通过卤醇脱卤酶基因的挖掘、克隆与表达，建立了一个丰富的卤醇脱卤酶酶库。通过酶的筛选、反应条件和底物谱研究，建立了卤醇脱卤酶催化环氧化合物合成4-芳基取代噁唑烷酮化合物的技术路线；建立了卤醇脱卤酶催化环氧化合物合成手性5-芳基取代噁唑烷酮化合物的技术路线；建立了卤醇脱卤酶立体选择性互补合成手性5-异丙基噁唑烷酮化合物的技术路线。通过分子对接和计算机模拟方法，阐明了卤醇脱卤酶催化环氧化物合成噁唑烷酮化合物立体选择性和区域选择性控制可能的催化机制。此外，本项目通过构建苯乙烯单加氧酶-卤醇脱卤酶生物级联催化反应体系，研究了烯烃不对称羟胺化合成手性噁唑烷酮化合物的技术路线。. 本研究首次报道卤醇脱卤酶可催化氰酸根离子以高α-区域选择性开环环氧化物，建立酶催化区域选择性互补合成4-芳基和5-芳基取代噁唑烷酮化合物的技术路线。该研究成果不仅刷新了对卤醇脱卤酶催化开环环氧化物区域选择性的认知，而且拓展了卤醇脱卤酶催化环氧化物开环反应的合成应用。此外，本研究还发展了苯乙烯单加氧酶-卤醇脱卤酶生物级联催化策略，以更加廉价的烯烃为出发原料，建立了烯烃高区域选择性和高立体选择性羟胺化合成手性噁唑烷酮化合物的路线。该研究成果不仅为手性噁唑烷酮化合物的制备发展了一种更加经济、绿色的合成策略，而且为烯烃不对称双官能团化合成高附加值化合物提供了一种新思路。