生物催化技術在化學制藥中的應用探討

＊閆雨迪

（黑龍江中醫藥大學藥學院 黑龍江 150040）

在化學制藥中，如何在保障藥物安全性與療效的基礎上，適當減少藥物的研發時間、降低研發成本是目前最急需解決的問題。生物催化技術在化學制藥領域的應用，是一種工藝上的創新，也是促進化學制藥行業發展的重中之重。因此，探究生物催化技術在化學治療中的實踐應用，以促進化學制藥的現代化發展是極其必要的。

1.生物催化技術簡介

（1）生物催化技術。在現代工業的發展中，生物酶催化技術極其重要。該技術是一門跨領域、跨學科技術，與化學和生物領域息息相關，將生物催化技術應用于化學制藥工程中，可通過酶或微生物促進藥物的生物轉化。在化學反應過程中，生物催化劑可以實現分子重組，能在一次反應中生成多類產物，以此為化合庫提供更多種類，有利于新藥物的研發。

目前，微生物在化學治療領域中的應用范圍較廣，微生物的生長速度較快，微生物種類及其內部含有的酶類較為豐富，對藥物的合成有著較強的催化作用，且微生物的適應能力極強，化學反應所需的條件不高。在一些難以發生反應的治療環節，使用微生物作為生物催化劑有著不錯的效果。另外，微生物的結構相對單一，將微生物用于催化，既可以選擇固定化細胞，又可以使用細胞器[1]。

先導化合物在生物催化的作用下，可以表現出以下幾點特征：第一，可以反應的產物范圍較大；第二，在整個化學反應的過程中，無需進行脫保護和基團保護，操作相對簡便，只需一步便可完成反應；第三，可以滿足生產定向立體選擇和區域選擇的需求；第四，生物催化的反應條件相對溫和，可以穩定某些較為復雜或不穩定的分子結構；第五，在均一或溫和的反應條件下，可以使反應重現或實現自動化反應；第六，酶的固定化優勢極高，所以生產時可循環使用催化劑[2]。

（2）現階段生物催化技術的主要研究與進展。生物藥學以生物學、微生物學、醫學和生物化學為主要技術手段，將其綜合應用后，可以通過一系列的研究，制造出可用于疾病預防、診斷或治療的藥物制品。在生物制藥中，使用到的各項原材料都由天然的生物材料加工而成，主要為微生物、海洋生物或各類動植物，對其進行一系列的物理處理、化學處理或生物加工處理后，便可以生產出具有良好療效的生物藥物。而生物催化技術是基于生物學發展而來的一種新技術手段。該項技術在研發初期，生物學家、科學家們發現有機生物體內含有生物酶，生物酶可用于催化各項物質間發生反應，但酶自身卻不會發生改變，且催化條件相對簡單，并不復雜。藥物生產時，主要是利用控制或優化化學反應的方式，通過分子重構等一系列的方法生產出新藥物，在傳統的化學制藥過程中，反應條件相對苛刻，也會消耗部分單一性資源，而生物催化技術便可很好地解決這一點。隨著目前蛋白質工程技術的持續發展，生物催化的底物選擇范圍也持續擴大，應用范圍愈發廣泛，已逐漸開始在精細化學和化學制藥等領域中大顯身手。

如今，在制藥中最為廣泛的技術為合成技術，該技術無需使用高壓氧化或金屬催化劑，也不會對周邊環境造成破壞，生產流程較為簡便。采用了生物催化技術后，便可以利用生物酶，提升反應速率，還能夠有效降低人力物力成本，包括但不限于設備磨損、人力手工操作等。生物催化技術在我國化學制藥領域中的應用，包括但不限于治療冠心病藥物研發、抗腫瘤藥物研發、免疫性藥物研發、基因重組多肽治療藥物研發等，并取得了極佳的效果[3]。如治療冠心病的阿托伐他汀、使用γ-干擾素基因的腫瘤基因療法、治療因免疫力低下或缺陷問題引起的糖尿病的西他列汀游離堿等。

2.生物催化技術特點分析

（1）酶的專一性。在催化時，酶有強烈的專一性特征。也就是說，一種酶只能對某種特定的底物進行催化反應，而一種底物可受到多種不同酶的催化作用，這在某種層面上意味著生物催化技術具有底物選擇的獨特性特征。

（2）酶的反應速度快。在整個化學反應中，反應物質需要吸收到相應的能量才能達到活化狀態并起作用，而應用催化劑可以在一定程度上降低反應的活化能，有效加速反應速度。比傳統的無機催化劑酶對反應的活化降低作用更加顯著，催化效率更高，可進一步提升反應速度。經研究表明，酶的催化效率可達無機催化劑的107 倍至1013 倍。

（3）設備要求較低。酶來自于有機物，在溫和條件下具備更高的活性，對環境和反應條件的要求較低。常溫環境、中性環境或水環境中均可完成反應。

（4）可被充分降解。若無意外情況，生物催化技術幾乎不會對環境有影響。整個催化過程污染極小或是沒有污染，能源損耗率較低，是一種對環境極其友好的催化方式，既能有效提高生產效率，又能夠顯著降低生產成本，可給企業創造更高的經濟效益、社會效益，也能滿足相應的環保需求，可促進現代化學制藥行業的穩定發展。

3.生物催化技術在化學制藥中的應用

(1)酶催化技術的應用

①裂解酶在化學制藥中的應用。裂解酶催化小分子時，具有較強的選擇性，因此在化學制藥領域得到了廣泛應用，如在消除或加成碳碳鍵、碳氮鍵、碳氧鍵等不飽和鍵，醛縮酶、轉羥乙醛酶和氧腈酶等形成C-C 方面有著顯著作用。在實踐應用中，使用醛縮酶催化，在醛上加有穩定帶負電的碳，能延長醛的2～3個碳單元，這與化學反應中的醛縮反應十分類似。以多巴胺為例，多巴胺是腎上腺素的前體，是哺乳動物中樞神經系統的主要神經傳遞質，對低血壓和急性循環系統不全的治療效果較佳。在催化反應中，設置3,4-二羥基-L-苯丙氨酸為底物，以脫羥酶為催化劑，便可以合成多巴胺。偶姻反應在化學制藥方面的典型案例，是使用裂解酶合成L-黃麻素的前體，在該反應中，使用的酶是丙酮酸脫羧酶，另外還需要額外加入焦磷酸硫胺素作為輔助因子。

②氧化酶在化學制藥中的應用。生物氧化反應在化學制藥中的應用也相對常見，奠定了氧化酶在化學制藥中的重要作用。例如丙肝病毒蛋白酶抑制劑、質子泵抑制劑埃索美拉唑等，均使用了氧化酶作為主要催化劑。植物雌激素松脂醇可用于治療多種疾病、保護機體，也在化學制藥領域占據一席之地。通過青霉菌的香草醇氧化酶和細菌漆酶，再加入丁子香酚，便能夠直接合成松脂醇，該反應的成本較低，在適合的條件下，還能夠發展成1.6 g/L 的半制備規模。

③還原酶在化學制藥中的應用。生物酶催化劑在還原合成手性藥物中間體這一環節有重要作用，在羰基官能團區域選擇性與立體選擇性等方面的效果極佳。通常情況下，有新的微生物菌株從環境中分離后，羰基還原活性較高，同時也具備各種具有優勢的生化特征，如熱穩定性和有機溶劑的耐受性等。比如叔丁基6-氰基-(3R,5R)-二羥基己酸酯是立普妥的重要手性前體，制作時便需使用還原酶，即通過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。而從乳酸克魯維酵母中，也能提取出羰基還原酶（KlAKR），可用于不對稱還原反應。這時，可采用半理性的設計法，用以提升酶的活性，在兩輪同源建模和分子對接位點飽和突變篩選后，便可獲得相應的突變體，此類突變體的催化效率遠高于原本的野生型羰基還原酶[4]。

④轉移酶在化學制藥中的應用。特點基團，如底物分子糖基、氨基、甲基、醛基和羧基等，更適合使用轉移酶催化。將這類特點基團向其他的底物分子轉移，供體可作為輔助因子攜帶基團完成轉移。所以在使用轉移酶時，還需同時使用輔酶。目前，在化學制藥中常見的轉移酶是轉氨酶，輔酶通常以磷酸砒哆醛為主，磷酸砒哆醛是維生素B6的衍生物，除了在轉氨基反應中有著較高的使用性能以外，在脫羥反應和消旋反應中的作用也十分重要。在反應時會優先生成希夫堿，隨后可在轉移酶的催化特性下完成反應。轉氨酶的反應速度較快，主要是因為其底物特異性較低，通常用于大規模合成非天然的氨基酸。例如，常見的藥物氨基酸L-絲氨酸，可以利用絲氨酸羥甲基轉移酶催化甲醛和甘氨酸來合成。本次生物催化反應需要使用到的輔助因子有磷酸吡哆醛和四氫葉酸，另外，反應液中的L-絲氨酸濃度要控制在為0.2 mmol/L。

(2)微生物催化技術的應用

目前，微生物催化技術在化學制藥中的應用，是以微生物的反應過程為基礎，依靠微生物體內反應器的生長、繁殖與代謝過程合成一些產物，隨后再借分離純化技術完成提取與精制，便可生產出最優的化學藥物，這依賴于微生物在生命過程中產生的，可以以極低濃度抑制或影響其他生物機能的低分子量代謝物。微生物催化技術在化學制藥中的主要作用對象包括抗菌類藥物、抗病毒類藥物、抗腫瘤類藥物、免疫調節劑酶抑制劑與除草劑等，主要生物來源有青霉素、放線菌等。微生物制藥技術的主要特征在于，要使用某個微生物的純種狀態，并設置培養基，供它生長，培養基的成分是不允許隨意更改的，若有其他菌種進入，則視為雜菌。例如金色鏈霉菌在含氯培養基中可形成金霉素，若在無氯化物的培養基中可生成四環素。

4.生物催化技術在化學制藥中的實用案例

（1）生產阿托伐他汀。阿托伐他汀是生物催化技術在化學制藥中常見的一種物質。具體來說，阿托伐他汀可以在一定程度上抑制HMG-CoA 還原酶的活動，達到降低膽固醇合成數量的作用，可用作降血脂藥劑。6-氰-3、5-二羧基乙酸叔丁酯這兩種生物催化劑是生產阿托伐他汀時的必備催化劑，同時，還需要使用中間體。中間體生產時也需使用到生物催化技術，可直接通過生物催化優化，在分子重組的基礎上，完成具有較強穩定性、活性及更大選擇性的優化酶生成，隨后便可即時開始化學反應。在生產時，首先開始反應的是氰化反應。在兩種優化酶的催化作用下，氯酮會進行反應，并生成不摻雜雜質的氯乙醇。隨后在相對溫和的條件下，便能開始第二個反應。這一反應的核心目的是得到氰醇，所以在這一步需要將第一個反應生成的氯乙醇通過相應的轉化和反應變為氰醇。之后，再使用此前得到的第三種優化酶開展生物催化氯化反應，便可得到阿托伐他汀。整個催化過程中，進化酶的應用大幅度提高了還原反應的容積率，可以進一步提高生產效益及獲得的經濟效益，且整個催化過程安全系數較高，對環境無污染。

（2）生產西他列汀游離堿。西他列汀是一類2型糖尿病治療藥物。在產生西他列汀游離堿時，需要使用到酶的催化反應。此前，德國Merck 與美國Codexis 這兩家公司，首先發現了R 構型選擇性轉氨酶、構型選擇性轉氨酶這兩種酶與西他列汀游離堿到分子結構十分相似，考慮到R 構型選擇性轉氨酶的部分分子質量較小，活性較高，還有針對甲基酮的抑制作用，所以，Codexis 公司首先開始了直接性的化學反應，構建了催化劑加氫路線，并嘗試改造R 構型選擇性轉氨酶，生成了S 構型西他列汀酮催化劑。這種催化劑自身不具備活性，整個反應過程操作簡便，僅需酶的催化反應，無需使用復雜設備，包括額外的金屬添加劑或高壓氫化等，便可以提高分子的反應能力，不僅節省了反應時間，還有效降低了生產成本。而直接性化學反應也減少了反應過程中生成的各種廢棄物，極大程度上提高了生產效率[5]。

（3）生物催化技術在普瑞巴林生產中的應用。美國一家公司研究蛋白質工程改造技術多年，最終，達到了最佳的蛋白質工程效果，并成功使用水解酶反應生產了普瑞巴林。生物催化技術在普瑞巴林生產中的應用，由脂肪酶對甲基、乙酸和氰基等鉀鹽進行了水解反應的催化。同時，也能夠作為化學合成原料，完成普瑞巴林的制作。在該反應中，各項原料的回收率高達40%，ee 值達到了99.5%，成效極佳。

5.結語

生物催化技術具有較高的選擇性及環境友好性，在化學制藥中有著極高的優勢，能夠使化學制藥工程不再受傳統的工藝限制，相對溫和的反應條件也使化學制藥反應過程變得更加簡易。同時，生物酶可在自然條件下降解，整個化學制藥流程也不會對環境造成污染或污染極小，將其應用于化學制藥中，可促進化學制藥領域的發展，推動我國化學制藥水平的全面升級。