手性胺是許多醫(yī)藥、農(nóng)藥等精細化學(xué)品的重要結(jié)構(gòu)單元，也是不對稱催化反應(yīng)及手性拆分的重要手性配體。因此，美國化學(xué)會綠色化學(xué)研究所的Pharmaceutical Round Table將手性胺的合成列為有機合成的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。單胺氧化酶可以在環(huán)境友好的條件下，高立體選擇性地氧化消旋體底物中一種構(gòu)型的碳氮單鍵生成碳氮雙鍵（C=N），如果反應(yīng)體系中加入非選擇性的還原劑（如：硼銨）則可以將消旋體的胺底物去消旋化得到單一構(gòu)型的手性胺，最高理論產(chǎn)率能達到100%。這種生物催化方法可以作為化學(xué)催化方法的替代或補充，因此單胺氧化酶是一類非常重要的生物催化劑。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員朱敦明和吳洽慶帶領(lǐng)的生物催化團隊通過與加拿大國家研究委員會Peter C. K. Lau教授（中國科學(xué)院外國專家特聘研究員）合作，基于結(jié)構(gòu)分析比對，對一種來源于氧化短桿菌的環(huán)己胺氧化酶（cyclohexylamine oxidase，CHAO）進行了功能位點分析、定點突變和底物特異性研究。研究結(jié)果表明：突變體酶M226A和L353M對底物的活力分別提高了5–400 %（M226A）和 7–445 %（L353M）。使用突變體酶L353M結(jié)合硼銨去消旋化成功實現(xiàn)了對抗抑郁藥物Norsertraline手性前體(R)-1,2,3,4-四氫-1-萘胺的合成，分離產(chǎn)率為76%，ee值大于99%。顯示出該酶及其突變體在手性胺合成當(dāng)中的應(yīng)用潛力。
雖然該酶及其突變體酶（M226A和L353M等）對一級胺底物表現(xiàn)出較高的立體選擇性和底物廣譜性，但是對大部分二級胺底物活力較低或無活力，而二級胺底物中喹啉的衍生物是手性胺類藥物分子的關(guān)鍵手性結(jié)構(gòu)單元之一，具有重要的應(yīng)用價值。為了進一步挖掘該酶的應(yīng)用潛力，研究團隊以喹啉衍生物中最簡單的2-甲基四氫喹啉作為篩選底物對環(huán)己胺氧化酶CHAO進行了分子改造，采用定點飽和突變以及疊加飽和突變結(jié)合平板顯色高通量篩選方法對CHAO進行了三輪進化篩選獲得了6個活力提高的突變體酶（T198F，L199T，M226F，Y459T，T198FL199S，T198FL199SM226F）。底物特異性研究發(fā)現(xiàn)，相對于野生型酶6個突變體酶對2-甲基四氫喹啉及其衍生物活力都有明顯提高，其中突變體酶T198FL199SM226F對2-甲基四氫喹啉的活力提高了將近100倍，突變體酶Y459T對2-烯丙基四氫喹啉，2-芐基四氫喹啉和2-苯基四氫喹啉的活力提高均超過14倍。使用突變體酶（T198FL199SM226F）結(jié)合硼銨去消旋化成功實現(xiàn)了對(R)-2-甲基四氫喹啉的合成，分離產(chǎn)率為76%，ee值為98%。研究結(jié)果表明分子改造獲得的突變體酶在四氫喹啉衍生物的合成當(dāng)中具有極大的應(yīng)用潛力。
研究成果以論文形式在Applied Microbiology and Biotechnology（第一作者為：博士研究生李廣悅）和ACS catalysis（博士研究生李廣悅和任杰為并列第一作者）上發(fā)表，其中發(fā)表在ACS catalysis 上的論文被選為封面文章。
本研究項目得到科技部“973”計劃、國家自然科學(xué)基金及中國科學(xué)院外國專家特聘研究員計劃的資助。
ACS catalysis 封面
