重要的藥物分子和天然產(chǎn)物通常含有多個(gè)手性中心，而且這些手性中心的構(gòu)型對(duì)它們的生物活性有決定性的影響。如何高效高立體選擇性地精準(zhǔn)構(gòu)建復(fù)雜分子中的多個(gè)手性中心，獲得單一構(gòu)型的產(chǎn)物是有機(jī)合成化學(xué)中極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。左炔諾孕酮（levonorgestrel）、孕二烯酮（gestodene）是兩種非常重要的小分子避孕藥物，2018年全球零售藥物中排名均在前200名內(nèi)，銷售總額達(dá)到20億美元。(13R,17S)-ethyl secol是合成這兩種藥物的關(guān)鍵中間體，一個(gè)直接制備(13R,17S)-ethyl secol的方法是ethyl secodione的去對(duì)稱性還原，因?yàn)?span>ethyl secodione分子中有2個(gè)相同的羰基可以被還原，還有1個(gè)季碳原子，可能有10種構(gòu)型產(chǎn)物(圖1)，從上世紀(jì)60年代至今，科學(xué)界一直沒(méi)有解決合成過(guò)程中立體選擇性差、轉(zhuǎn)化效率低、產(chǎn)物復(fù)雜的難題。

　　中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員朱敦明、吳洽慶帶領(lǐng)的生物催化與綠色化工團(tuán)隊(duì)，針對(duì)ethyl secodione立體選擇性還原問(wèn)題，首先篩選了實(shí)驗(yàn)室的百種羰基還原酶，對(duì)轉(zhuǎn)化結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，以來(lái)源于Ralstonia sp.的羰基還原酶RasADH作為模板，利用結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的定向進(jìn)化策略，經(jīng)過(guò)數(shù)輪的改造篩選，獲得了能夠高效催化底物ethyl secodione的突變酶RasADH F12，該突變酶對(duì)底物的活力提高了183倍，目標(biāo)產(chǎn)物的比例由37.3%提高至>99.5%，雙羰基還原產(chǎn)物比例由18.8%降低至<0.1% (圖2)，并且實(shí)現(xiàn)了公斤級(jí)底物的轉(zhuǎn)化，為工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。獲得的突變酶具有較好的底物譜，能夠應(yīng)用于多種結(jié)構(gòu)的2,2-雙取代-1,3-環(huán)戊二酮的去對(duì)稱性還原，獲得單一構(gòu)型的產(chǎn)物。

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與所內(nèi)副研究員劉衛(wèi)東和西班牙教授Sílvia Osuna合作，通過(guò)對(duì)該突變酶與產(chǎn)物復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)分析和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，解析了突變酶的催化活力和立體選擇性提高的分子機(jī)制，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)改造羰基還原酶實(shí)現(xiàn)多手性復(fù)雜分子的精準(zhǔn)構(gòu)筑提供了理論基礎(chǔ)。

　　該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市科技局平臺(tái)項(xiàng)目等的支持。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Catalysis上。副研究員陳曦和科研助理張紅榴為論文并列第一作者。朱敦明、吳洽慶、Sílvia Osuna為論文通訊作者。

　　文章鏈接

圖1. ethyl secodine羰基還原可能生成的10種構(gòu)型產(chǎn)物

圖2. 突變酶RasADH F12對(duì)底物的活力提高了183倍，目標(biāo)產(chǎn)物的比例由37.3%提高至>99.5%，雙羰基還原產(chǎn)物比例由18.8%降低至<0.1%