环己胺氧化酶催化的右美沙芬关键中间体绿色合成研究
批准号:
22071033
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
黄则度
依托单位:
学科分类:
仿生与绿色合成
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄则度
中文摘要
右美沙芬是全球使用最广泛的非处方中枢性镇咳药,当前我国的右美沙芬主要依赖进口。反应可容许的底物浓度低和反应规模小是环己胺氧化酶催化合成右美沙芬关键中间体(S)-1-(4-甲氧苄基)-1,2,3,4,5,6,7,8-八氢异喹啉((S)-11)方法的技术瓶颈,而本课题拟解决的关键科学问题:环己胺氧化酶对大位阻底物11的催化活力低下,是产生该技术瓶颈的主要原因。本课题拟通过结合使用基于CAST/ISM、B-FIT的半理性设计手段和基于易错PCR/DNA改组的非理性设计手段定向进化改造环己胺氧化酶CHAOCCH12-C2,获得对11催化活力显著提升的热稳定突变体酶;拟将建立的酶催化方法应用于(S)-11及其类似物的高底物浓度、大规模合成。通过本课题研究,可望在理论上助力阐明环己胺氧化酶的分子作用机制;在应用上为我国自主、高效、经济、绿色生产右美沙芬奠定坚实基础,具有重大经济与社会价值。
英文摘要
Dextromethorphan is the most widely used over-the-counter centrally acting antitussive worldwide. Currently, dextromethorphan in our country is mainly dependent on import. The viability of only low substrate concentration and small reaction scale is the technical bottleneck in the cyclohexylamine oxidase (CHAO)-catalyzed synthesis of (S)-1-(4-methoxybenzyl)-1,2,3,4,5,6,7,8-octahydroisoquinoline ((S)-11), the key synthetic intermediate to dextromethorphan. The low catalytic activity of CHAO towards the sterically demanding substrate 11 is the main reason causing this bottleneck, and it is also the key scientific problem that our program aims to address. In order to obtain a mutant enzyme with much improved catalytic activity towards substrate 11 and with high thermostability, this program aims to engineer the cyclohexylamine oxidase CHAOCCH12-C2 by directed evolution, specifically through the combined use of the semi-rational design approach based on CAST/ISM and B-FIT, and the non-rational design approach based on epPCR and DNA shuffling. The developed enzymatic method will be applied to the synthesis of (S)-11 and its derivatives in a high-substrate-concentration and large-scale manner. In the theoretical aspect, it is hoped that the proposed research can help elucidate the molecular mechanism of cyclohexylamine oxidase. In the application aspect, it is believed that the proposed research will lay a solid foundation to help our country realize its own production of dextromethorphan in an efficient, economic, and green manner, thereby possessing great economic and societal value.
右美沙芬是全球使用最为广泛的非处方镇咳药之一,当以推荐剂量使用时,右美沙芬没有成瘾性或胃肠道副作用,这使其优于阿片类药物。(S)-1-(4-甲氧基苄基)-1,2,3,4,5,6,7,8-八氢异喹啉((S)-OHIQ)是工业制备右美沙芬的关键合成中间体,其主要通过对外消旋体胺rac-OHIQ进行动力学拆分获得,最高理论收率仅为50%。在前期工作中,我们采用大数据库基因组挖掘策略和一系列实验验证,确定新颖环己胺氧化酶CHAOCCH12‑C2能够选择性氧化(R)-OHIQ生成亚胺HHIQ。当结合使用化学还原剂硼烷氨,便可实现目标化合物(S)-OHIQ的闭环去消旋化合成。在本项目中,为了提高该酶的催化效率,我们基于前期解析的蛋白质晶体结构,将结构引导的半理性设计与随机突变相结合应用于CHAOCCH12‑C2的酶工程改造。以rac-OHIQ为底物,经过多轮组合活性中心饱和突变和随机突变,成功筛选获得一个优异五点突变体WXF-FM。与野生型酶相比较,该突变体酶对底物(R)-OHIQ具有15倍以上的kcat以及更高的立体选择性。以WXF-FM作为生物催化剂,我们在克级反应规模下成功实现了200 mM rac-OHIQ的去消旋化,以76%分离收率得到高光学纯度(97% ee)的右美沙芬关键合成中间体(S)-OHIQ,从而为绿色高效制备右美沙芬奠定坚实基础。此外,我们还通过开展完整的反卷积实验和分子动力学模拟揭示了底物和辅酶FAD之间新氢键的产生是突变体酶催化活性及立体选择性提高的关键因素。进一步,我们成功地将表达WXF-FM 的大肠杆菌工程菌通过包埋的方式固载在海藻酸钠中。制备得到的固定化细胞,不仅表现出优良的活性和稳定性,而且也解决了游离细胞催化该反应后处理过程中乳化和反应产物难以与生物催化剂分离等问题。最后,采用级联式连续搅拌釜式反应器(CSTRs)实现了固定化细胞对rac-OHIQ的连续流催化去外消旋化反应,展现了生物催化策略在右美沙芬工业合成中的应用价值。此外,我们还发展了首例基于单胺氧化酶催化的化学酶法不对称合成抗血吸虫病药物吡喹酮的生物活性立体异构体左旋吡喹酮。我们也开展了其它类型酶促合成高值手性含氮化合物的研究。
不对称生物还原alpha-硝基酮及其在beta-氨基醇类药物合成中的应用
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批准号:21801047
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2018
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负责人:黄则度
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依托单位:
国内基金
海外基金