亚胺还原酶立体选择性的分子调控机制及其理性设计

Complex chiral nitrogen heterocyclic compounds are important biologically active intermediates for the synthesis of numerous pharmaceutical molecules. The use of imine reductases to produce complex chiral nitrogenous heterocyclic compounds is an attractive alterantive to traditional chemical synthesis. However, the reported (S)-selective imine reductases show poor stereoselectivity in the synthesis of these compounds, severely limiting their practical applications. This project amins to identify the key residues or domains that affect the stereoselectivity of imine reductases and reveal the molecular mechanism of the stereoselectivity of imine reductases. Subsequently, the universal applicability of these key residues or domain in evolution of other imine reductases is explored. On the basis of molecular mechanism of stereoselectivity, rational design strategy is used for the evolution of imine reductases to obtain several imine reductase mutants with excellent catalytic performance. Finally, the enzyme catalytic reaction system was optimized and used for complex chiral N-heterocyclic compounds synthesis.

复杂手性氮杂环化合物是构成药物分子的重要生物活性物质。亚胺还原酶催化的不对称还原过程更加绿色，是替代传统化学过程生产复杂手性氮杂环化合物的理想途径。但目前所报道的(S)-选择性亚胺还原酶在合成这些化合物时存在立体选择性较差的问题，严重地限制了它们的实际应用。针对这一问题，本项目拟以已开发的(S)-选择性亚胺还原酶及其高立体选择性的突变体为研究对象，探明影响其立体选择性的关键残基或结构域，揭示它们对立体选择性的影响规律，阐明立体选择性的分子调控机制；其次，将探明的关键残基或结构域，应用到其它亚胺还原酶立体选择性的分子改造中，考察它们的普适性和适用范围，为其它酶立体选择性的调控提供参考。然后基于阐明的立体选择性分子机制，针对不同结构的底物，通过理性设计对酶进行改造，获得性能更优的亚胺还原酶催化剂；最后，对酶促反应体系进行系统优化，为复杂手性氮杂环化合物的合成构建一个绿色高效的酶催化过程。

胺类化合物是一类重要的结构砌块，在天然活性分子、药物分子中广泛存在。亚胺还原酶是近年发现的一类新颖氧化还原酶，它可以用来催化环状亚胺的还原及羰基与胺基的还原胺化合成仲胺或叔胺化合物，自2010年被报道以来，引起了学术界与工业界研究人员的广泛关注。但是大多数天然的亚胺还原酶催化活性、立体选择性等催化性能无法满足工业应用的前景，而且能够利用大位阻胺作为胺基供体进行还原胺化的酶催化剂还鲜有报道，这极大限制了酶催化在大位阻胺类药物分子合成中的应用。. 项目通过基因组数据挖掘技术，成功构建了300种亚胺还原酶酶库，为手性胺的合成提供了丰富的资源库。其次，阐明了亚胺还原酶的结构功能关系，在此基础上，通过分子改造显著提升了酶的催化性能，获得了满足工业应用的亚胺还原酶催化剂，并且通过计算机辅助的分子动力学模拟分析，解析了酶性能提升的分子机制；最后，利用创制的工业亚胺还原酶催化剂，构建了亚胺不对称化还原和酮还原胺化的高效酶促反应体系，并成功应用于广谱抗肿瘤药物拉罗替尼和甲状旁腺功能亢进治疗药物西他卡塞的绿色生物制造。. 研究成果以封面文章等形式发表在Journal of the American Chemical Society、ACS Catalysis等高水平学术期刊上。研究成果还申请了3项发明专利，其中“抗肿瘤药物拉罗替尼手性中间体的酶法不对称合成技术”已转让给企业，合同额达400万元。基于本项目所取得的主要科研成果，项目负责人郑高伟入选教育部2020年度“长江学者奖励计划”青年学者、2020年度上海市青年拔尖人才、2020年度候德榜化工科学技术青年奖、2021年度华东理工大学“第七届青年英才校长奖”特等奖等科研奖励。受邀在国内外学术会议上做特邀报告3次、口头报告2次。.