生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的應(yīng)用

王勝，剛麗霞

（1.浙江東邦藥業(yè)有限公司，浙江臺(tái)州 317016；2.浙江東亞藥業(yè)股份有限公司，浙江臺(tái)州 317100）

在當(dāng)前化學(xué)制藥中，減少化學(xué)藥物研發(fā)時(shí)間與降低成本等是亟待解決的問題，同時(shí)要保證藥物更加安全有效，能夠提升治療效果。而將生物催化技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)制藥中，是對(duì)傳統(tǒng)工藝模式的一種創(chuàng)新，能夠更好地發(fā)揮出新技術(shù)的作用，保證化學(xué)制藥工藝水平的提升，真正達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。因此要進(jìn)一步研究生物催化技術(shù)，為化學(xué)制藥發(fā)展提供更先進(jìn)的技術(shù)支持，這樣才能與現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)相符。

1 生物催化技術(shù)概述

生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的應(yīng)用，具有容易分離與控制等優(yōu)點(diǎn)，有利于運(yùn)輸與貯存，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用的目標(biāo)，減少生產(chǎn)成本與生產(chǎn)時(shí)間等的投入，提升了自動(dòng)化生產(chǎn)水平。近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)發(fā)展速度加快，生物催化技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛，能夠?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境提供可靠保護(hù)，也在發(fā)展經(jīng)濟(jì)效益、改善能源來源和減少能源消耗等方面發(fā)揮著日益重要的作用[1]。此外，近年來化學(xué)制藥中生物催化技術(shù)的應(yīng)用日益增多，也為生物催化技術(shù)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。當(dāng)前我國(guó)生物催化技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟，但是也有很多不足的地方，如生物催化劑開發(fā)的周期較長(zhǎng)、類型較少，要求今后繼續(xù)加大研究力度，發(fā)現(xiàn)并找出問題，及時(shí)改進(jìn)與完善，為化學(xué)制藥質(zhì)量與水平的提升打牢基礎(chǔ)。

2 生物催化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在化學(xué)制藥中生物催化技術(shù)主要包括以下特點(diǎn)。（1）利用生物催化技術(shù)可以代替使用銠。銠作為有毒物質(zhì)，很難通過吸附劑去除，并容易形成固體廢物。（2）在溫和環(huán)境中轉(zhuǎn)氨酶也能夠反應(yīng)，不需要高溫高壓的氫化環(huán)境，且傳統(tǒng)氫化環(huán)節(jié)需要專門定制的高壓反應(yīng)管道，投入較大[2]。對(duì)生物催化技術(shù)來說，僅僅考慮使用標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)器，并借助轉(zhuǎn)氨酶省去多余的合成環(huán)節(jié)，促使總得率實(shí)現(xiàn)提升，在降低溶劑使用量的基礎(chǔ)上，保證最終產(chǎn)品純度更高。（3）具有安全的優(yōu)點(diǎn)，能最大限度降低能耗，不需要投入過大的成本。特別是從產(chǎn)品純度角度來說，生物催化劑在不斷進(jìn)化的過程中，產(chǎn)品純度也能隨之提升。（4）生物催化技術(shù)相比于普通化學(xué)法，在綠色環(huán)保方面更具優(yōu)勢(shì)，這是由于其具備高效、高選擇性、條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在原料、催化劑等方面更加綠色化，未來在藥物綠色工藝中將發(fā)揮更大作用。

3 酶催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的具體應(yīng)用

3.1 裂解酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用

對(duì)C-C、C-N、C-O等不飽和鍵進(jìn)行加成與消除，醛縮酶、轉(zhuǎn)羥乙醛酶和氧腈酶等形成C-C方面，裂解酶催化小分子選擇性較強(qiáng)，在化學(xué)制藥中逐步得到了廣泛應(yīng)用。通過醛縮酶催化形成醛縮反應(yīng)，能夠延長(zhǎng)醛至少2～3個(gè)碳單元，這與化學(xué)醛縮反應(yīng)相類似，主要在醛上加有穩(wěn)定帶負(fù)電的碳。以多巴胺為例，作為哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要神經(jīng)傳遞質(zhì)，多巴胺是腎上腺素的前體，能夠?qū)毙匝h(huán)系統(tǒng)不全、低血壓等產(chǎn)生較好的治療效果[3]。反應(yīng)中，底物為3,4-二羥基-L-苯丙氨酸，催化劑是相應(yīng)的脫羥酶，能夠完成對(duì)多巴胺的合成。在偶姻反應(yīng)中，化學(xué)制藥領(lǐng)域的典型例子就是通過裂解酶合成L-黃麻素的前體，反應(yīng)使用的酶為丙酮酸脫羧酶，同時(shí)需用焦磷酸硫胺素作為輔助因子。

3.2 氧化酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用

化學(xué)制藥中也常用到生物氧化反應(yīng)。在生物催化技術(shù)應(yīng)用中，氧化酶發(fā)揮著日益重要的作用，以丙肝病毒蛋白酶抑制劑、質(zhì)子泵抑制劑埃索美拉唑等為例，均選用了氧化酶[4]。植物雌激素松脂醇適用于多種疾病的治療，可以達(dá)到保護(hù)機(jī)體的目的，在化學(xué)制藥中也得到了應(yīng)用。借助青霉菌的香草醇氧化酶與細(xì)菌漆酶，并選用丁子香酚合成松脂醇，成本投入不高，優(yōu)化條件下能夠發(fā)展為1.6 g/L的半制備規(guī)模[5]。

3.3 還原酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用

生物酶催化劑在羰基官能團(tuán)區(qū)域選擇性與立體選擇性等方面可以產(chǎn)生較好的效果，特別是還原合成手性藥物中間體環(huán)節(jié)發(fā)揮著較大的作用。當(dāng)新的微生物菌株由環(huán)境進(jìn)行分離后，具有較好的羰基還原活性，并涵蓋各方面的生化特性，主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性與對(duì)有機(jī)溶劑的耐受性上。例如，叔丁基6-氰基-（3R,5R）-二羥基己酸酯在立普妥中屬于重要的手性前體，主要通過6-氰基-（5R）-羥基-3-氧代己酸叔丁酯以還原酶還原的方式形成[6]。乳酸克魯維酵母內(nèi)也可以提取出新的羰基還原酶KlAKR，可以對(duì)6-氰基-（5R）-羥基-3-氧代己酸叔丁酯進(jìn)行不對(duì)稱還原。采取半理性設(shè)計(jì)方式，能夠促使酶的活性得到提升，經(jīng)過兩輪基于同源建模和分子對(duì)接的位點(diǎn)飽和突變篩選，能夠獲得突變體Y295W/W296L，相比于野生型KlAKR，催化效率至少提高了11.25倍。

3.4 轉(zhuǎn)移酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用

對(duì)底物分子糖基、氨基、甲基、醛基和羧基等特點(diǎn)基團(tuán)來說，可以通過轉(zhuǎn)移酶催化的方式，向其他底物分子進(jìn)行轉(zhuǎn)移，多種場(chǎng)合下供體為輔助因子，能夠攜帶基團(tuán)達(dá)到轉(zhuǎn)移的目的。因此，應(yīng)用轉(zhuǎn)移酶時(shí)也需要使用輔酶，其中轉(zhuǎn)氨酶是最為常見的轉(zhuǎn)移酶，而輔酶則一般選擇磷酸砒哆醛。該輔酶為維生素B6的衍生物，不僅應(yīng)用于轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)中，更是脫羥反應(yīng)、消旋反應(yīng)中非常重要的一種輔酶，反應(yīng)期間先產(chǎn)生西夫堿，并結(jié)合酶的催化特性完成反應(yīng)。轉(zhuǎn)氨酶的底物特異性不高，能夠迅速完成反應(yīng)，在大規(guī)模合成非天然氨基酸中應(yīng)用較多，能夠達(dá)到手性藥物生產(chǎn)要求[7]。以L-絲氨酸為例，作為常見的藥物氨基酸，可以通過絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶對(duì)甲醛、甘氨酸的催化，從而順利進(jìn)行合成。絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶在反應(yīng)中所需輔助因子包括磷酸吡哆醛（PLP）、四氫葉酸，L-絲氨酸在反應(yīng)液內(nèi)濃度為0.2 mmol/L，在當(dāng)前化學(xué)制藥中應(yīng)用前景非常廣闊[8]。

4 結(jié)語

化學(xué)制藥中引入生物催化技術(shù)，能夠借助其高選擇性、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，不再受到傳統(tǒng)工藝路線的限制，達(dá)到減少生產(chǎn)成本的目的，能夠更好地在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立足。此外，生物催化技術(shù)在高活性工程酶、非天然氨基酸、藥物中間體和原料藥等生產(chǎn)中將發(fā)揮日益重要的作用，具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景，能夠推動(dòng)我國(guó)化學(xué)制藥水平的進(jìn)一步提升。