近日，我校生物反应器工程国家重点实验室许建和教授团队的郑高伟教授与湖北大学郭瑞庭教授合作，在高性能亚胺还原酶的创制与应用方面取得新进展，相关研究成果以“Engineered Imine Reductase for Larotrectinib Intermediate Manufacture”为题，发表在《美国化学会催化》杂志上(ACS Catalysis,2022, 12,14795–14803)。
手性吡咯烷是药物和生物活性分子的重要药效团，已经用于多种药物分子的合成。例如，(R)-2-(2,5-二氟苯基)吡咯烷是合成广谱抗癌药拉罗替尼的关键手性中间体。课题组从棒状链霉菌中发现了一种天然亚胺还原酶ScIRED，其能够催化环状亚胺2-(2,5-二氟苯基)-吡咯啉不对称还原，合成(R)-2-(2,5-二氟苯基)吡咯烷，产物ee值高达99%以上，然而该天然酶活性较低，难以满足工业应用的需求。
图片说明：亚胺还原酶ScIRED分子改造残基及晶体结构解析
图片说明：亚胺还原酶催化的拉罗替尼关键手性中间体合成
论文基于解析的晶体结构，利用半理性的蛋白质工程技术对其进行分子进化，获得了具有催化性能显著提升的工程化亚胺还原酶。其中酶比活力提升了107倍，高达19.2 U mg–1，为迄今报道的最高酶活性IRED；半衰期提升277倍，从0.13小时提高到36小时，Tm从24.6°C增加到56.5°C。论文进一步通过酶-底物复合物的晶体结构解析和分子动力学模拟，揭示了酶催化性能提高的分子机制。最后，利用创制的工程酶作为高效催化剂，实现了拉罗替尼手性中间体的公斤级制备。该工艺中底物浓度高达80 g L–1，时空产率高达352 g/L/d，这为迄今报道亚胺还原酶的最高生产效率，有力地推动了亚胺还原酶在制药工业中的应用。
该工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”专项(2019YFA0905000,2021YFC2102800, 2021YFC2102300)、国家自然科学基金重点项目和面上基金等项目的资助。华东理工大学陈琦副教授、硕士研究生李薄薄和湖北大学张丽兰副教授为论文共同一作，华东理工大学郑高伟教授与湖北大学郭瑞庭教授分别为论文通讯作者。