合成生物学：前沿手性合成科技
--商品化酶的多样化促进酶催化剂在医药中间体合成上的应用
随着新型作用机理的药物分子相继被开发出来，其分子结构的复杂性无论是大分子还是小分子都在持续增长。对于小分子药物，其结构复杂性通常表现为更多的手性中心，但却只有唯一的活性异构体。过去的30年中，人类投入了大量资源开发了一系列生产手性医药中间体的工具和方法，经典的方法有手性拆分和手性色谱制备，而种类繁多手性化学催化剂更是不对称转化合成复杂手性药物中间体的方便、快捷和高效的工具。如今，随着各种生物酶大规模商业化开发技术的成熟，立体选择性合成用生物酶催化剂越来越多的应用到活性中间体甚至手性药物的合成上。在化学催化不断进步的同时，手性化学迎来了更激动人心的领域—合成生物学，更具体来说就是使用多种生物酶在一锅内(或生物体内)催化串联化学反应合成高级药物或其中间体。
而从近年来的报道来看，在化学和生物转化方面还没有任何重大突破，仍然是在现有的技术上持续不断的改进。对于医药工业，这些进步包括工艺技术，如连续流化学，使得大规模应用这些技术成为可能。但需要强调的是在手性合成工业中，精心设计的串联反应愈发重视绿色环保、安全高效、原子经剂性并且注重更少反应步骤、水相反应和使用无害原料及可循环催化剂。我们已经拥有很多手段来得到对映选择性高达99.9%的医药中间体，而面临的挑战在某种程度上演化为从众多的方法中选择一种最佳的方法。
路线开发关键是需要建立在好的化学工艺之上，事实上，在选择手性技术之前就应该解决路线问题。不能仅仅为达到手性目的而使用手性技术，而应该以更高效的方式来实施。从前手性底物出发设计一条巧妙的合成路线与找到一种高效的手性催化剂同等重要。
手性化学的绿色化
由于生物催化反应条件温和，通常以水为溶剂，产生更少废物，且具备高效的立体选择性，从而使其引领当代绿色化工发展的新趋势。生物催化已经迈过了概念验证阶段，如今，能应用到医药生产上的一系列的酶类都有大量的商品化供应。例如，多种商品化规模的转氨酶和脱氢酶用来立体选择性催化合成药物中间体的关键手性模块。
分子工程的进步
随着分子生物学、代谢工程和生物信息学等学科领域的深入融合发展，可供催化合成的新型酶催化剂不断增加，科技的进步也使得具备高选择性催化转化的酶可以在可接受的时间内被开发出来。事实上，几个月内就可以成功开发为特定的用途定制的酶催化剂，无需耗费长时间和高成本。在很多情况下，生产相同的产品，使用手性配体的成本要比使用酶催化剂的花费更大。现如今，对特定生物体内感兴趣的基因进行识别已经非常容易，而一条基因的合成也仅需1000RMB左右。
酶的获取
酶催化剂的价格合理且获取方便，再加上生物催化工艺的绿色可持续性，使得在医药开发的前期阶段就考虑酶催化剂的应用成为可行。与已具备完善GMP准则的化学催化不同，生物催化GMP准则才开始着手准备，各国都在大力推进酶在GMP规则下应用的相关细则的制定，依据GMP准则来应用酶催化合成生产药物将更为人所接受。尽管药物化学工作者运用新技术的意愿不太强烈，以往只是把酶催化作为传统化学工艺的技术升级，而今天，鉴于酶催化的低成本和高效性，人们更趋向于在产品开发的最初阶段就开始考虑酶催化的应用。
一个典型的案例是由默克公司实施的酶催化技术升级工艺(1)。糖尿病治疗药物西它列汀(sitagliptin)，老生产工艺是贵金属铑催化烯胺的不对称氢化，现在已经由不对称酶催化酮还原氨化所替代，而酶催化剂则是通过定向进化开发的一种稳定而高效的固定化转氨酶。酶的开发是与Codexis合作10个月内完成的，该酶催化工艺使得生产效率提升了56%，产率增加10%-13%，废物排放减少19%，在2009年完成了工厂规模的生产并于2012年四月通过了FDA的审批(2)。
2012年，Arnold教授改造了一种细菌CYP450酶，这种酶可以高立体和对映选择性的催化重氮酯类化合物形成的卡宾与芳基取代的烯烃形成手性的环丙烷类化合物，这种酶催化环丙烷过程目前在自然界还没有观察到(3)。
获取可接受性
近年来，合成生物学的理念已经越来越被人们所接收，药物公司、研发机构以及学术研究人员正在致力于用多酶耦合系统催化选择性级联反应合成复杂手性分子并实现工程化的研发。最终的目标是通过功能基因的打开和关闭使细胞内的酶能够从起始的基础原料转化为结构复杂的高附加值光学纯药物分子或活性中间体。目前的研究还虽然处于初始阶段，但仿生化学研究意义重大，科学家对此领域兴趣浓厚，大自然复杂的生物系统已经为我们提供了众多可借鉴的生物转化过程。
ChiroTech公司成功开发了一种双酶体系催化动态动力学拆分(DKR)非天然alfa-氨基酸的工艺。公司克隆并重组了一种N-乙酰化氨基酸消旋酶(NAAAR)，这种酶与L-或D-氨基酸酰化酶联合使用，可以水解拆分N-乙酰化氨基酸的同时使底物不断的消旋，从而实现氨基酸的动态动力学拆分。由于其效率高且底物适用广，对许多N-乙酰化氨基酸都适用，所以应用广泛，产物对映选择性纯度通常能达到99%。
不可太倚赖化学催化
尽管新纪以来令人激动的领域始终围绕着生物催化，但化学催化将仍然在药物生产中占据着重要的位置，医药工业中非常重要的不对称氢化反应更仍然难以被替代。化学催化在持续发展，一些新的催化反应不断被发现，专利到期的手性配体将进一步的降低化学催化的成本从而促进其应用的推广。此外，化学催化对于化工产品的制造有着更强的吸引力，通过投资于新型合成路线的开发而不仅仅是手性催化技术，可以使得产品生产更有效率而成本也会相比传统方法更低。
串联有机催化
有机催化在手性转化中显示出巨大的应用潜力，特别是在串联合成反应中，例如普林斯顿大学的David MacMillan教授所开发的一系列有机催化反应。随着对有机催化剂所要求的催化微环境的深入理解，人工设计高效的有机催化剂将具有更高的潜力。ChiroTech公司认识到有机催化在工业上应用的可能性并计划在几个月内上马一条有机催化的合成工艺线路。
MacMillan的有机串联催化路径也遵循生物合成的理念，包括成功的整合不同的活性位点，达到一步操作多步转化生成多个立体中心，得到复杂结构的天然产物。最近，他们以九步反应成功实现(−)-minovincine的对映选择性全合成(4)。
相信在不对称合成技术中充分融合已有的化学、有机和生物催化技术，并最大限度的发挥其各自的优势，必能设计出更多更高效的串联反应，使其成为绿色可持续的商业化工艺路线，生产更多高质高效的手性纯药物及活性中间体。
References
1. C. K. Savile et al., Science, 329 (5989), 305-309, (2010).
2. Merck, Case Study: A Journey To Revolutionize Drug Manufacturing. In an industry charged with helping the world’s populations be well, green chemistry is a critical tool. https://www.merckresponsibility.com/wp-content/uploads/2013/07/green_chemistry.pdf . Accessed 1/30/2014.
3. P. S. Coelho et al., Science 339 (6117), 307-310, (2013).
4. B.N. Laforteza et al., Angew. Chem. Int. Ed. 52 (43), 11269 -112, (2013).
