新型微生物亚胺还原酶的催化性能及催化机制研究

Biocatalytic asymmetric reduction of aromatic imine by microbial imine reductase is a green and promising alternative for chiral amine synthesis.However, we are not clearly known yet for the properties and catalytic mechanism of these imine reductases,which strongly restricts their application in chiral amine synthesis.The proposed project plans first to investigate the properties of an imine reductase from Bacillus sp.ECU0928, and then to establish an optimum reaction system in order to imporve its catalytic properties.A model of the imine reductase, built by homology modeling, is docked with different substrates to analyze the interaction between them,for the purpose of demonstrating its catalytic mechanism.The results will provide the theoretical basis for rational design of imine reductases and efficient reaction process for synthesis of chiral aryl amine.

微生物催化的亚胺不对称还原是合成手性芳基胺最具应用潜力的绿色途径之一，但目前所报道的微生物亚胺还原酶的催化性能及其催化机制还不清楚，严重影响了其在手性胺合成中的应用，因此亟待研究和阐明。本项目拟以申请人前期筛选获得的Bacillus sp. ECU0928亚胺还原酶为研究对象，系统研究该酶的不对称催化反应性能，从而构建最优的不对称还原反应体系来提高其催化性能；并在该体系中对不同取代基的芳香亚胺底物进行催化还原，探索底物分子的空间构型及电荷分布与酶活性及立体选择性的相互关系；在此基础上，钓取该酶的功能基因，获取其氨基酸序列，结合同源模建与分子对接技术，从分子水平上揭示不同底物对该酶立体选择性的影响规律，阐明亚胺还原酶的不对称催化机制。项目的研究将为亚胺还原酶的分子理性改造和功能强化提供理论指导，为手性芳基胺的合成提供更加高效的反应体系。

手性胺是药物、天然产物和农用化学品的重要手性合成砌块，约40%的药物活性分子中均含有手性胺结构。其中亚胺还原酶催化的亚胺不对称还原过程因其100%的原子经济性和100%的理论得率，被认为是合成手性胺最具应用潜力的绿色途径之一。本项目首先开发了12种具有自主知识产权的亚胺还原酶，针对其中三种最优的亚胺还原酶进行了催化性能的系统研究，在此基础上，构建了酶催化不对称合成手性胺如吲哚啉和四氢异喹啉的新途径，并研究了底物分子的空间构型及电荷分布与酶活性及立体选择性的相互关系。近期，对其中的一种亚胺还原酶PlSIR的结构进行了解析，并初步获得了影响亚胺还原酶活性的关键氨基酸残基，目前正在尝试进行理性分子改造以提高其催化活性。项目的研究为手性胺的合成提供了绿色的合成途径，也将为亚胺还原酶的分子理性改造和功能强化提供理论指导，以加速亚胺还原酶在工业上早日实现应用。