近日，我校生物工程学院生物反应器工程国家重点实验室及上海生物制造技术协同创新中心许建和课题组，在胺脱氢酶/酮胺化还原酶的结构重塑和功能拓展方面研究取得新突破。美国化学会催化杂志ACS Catalysis以“Reshaping the Active Pocket of Amine Dehydrogenases for Asymmetric Synthesis of Bulky Aliphatic Amines”为题报道了这一最新研究成果(ACS Catal.2018, 8, 2622−2628)。

    2015年，ChemCatChem (2015, 7, 3838–3841)报道该团队在胺脱氢酶与醇脱氢酶偶联催化将外消旋醇转化为对映纯手性胺的合成反应新途径。Nature Chemistry发表的专题评述(2015, 7, 948–949)认为其学术思想与英国科学家同时发表在Science期刊上的论文(2015, 349, 1525–1529)为独立提出的相同概念。

    上述研究中所使用的胺脱氢酶是一类经人工改造获得的非天然生物催化剂，可以利用廉价的氨水作为胺供体，催化酮的不对称胺化还原生成相应的手性胺，在手性胺类化合物的合成中具有重要的应用前景。然而，这类酶存在的主要问题之一是底物谱偏窄，极大地限制了它们在手性胺合成中的应用范围。研究人员利用自主研发的氨基酸脱氢酶作为模板，通过生物分子工程手段开发出了三个新的胺脱氢酶，并针对其底物谱较窄的问题，采用计算机辅助的蛋白质工程技术，确定了酶活性口袋中影响酶与大位阻底物结合的关键残基(Ala113与Thr134)，通过将其突变成分子最小的甘氨酸，实现了对口袋的“裁剪”，拓展了活性口袋的“容积”。将酶催化的底物范围由最长六个碳链的脂肪酮拓展至长达十个碳链的脂肪酮，如2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮），显著地拓宽了该酶催化的底物范围。此外，这两个关键氨基酸残基的突变在另外两个同源胺脱氢酶的改造中也具有类似的效果，这为其它不同胺脱氢酶的底物谱拓展提供了有益的参考。

图为胺脱氢酶的底物结合口袋在“人工裁剪”前后的结构对比图

   该研究工作是由国家自然科学基金重点项目和面上项目资助，主要完成人为博士研究生陈飞飞和副研究员郑高伟。