海院科研动态（89）| 工程化胺醇脱氢酶的开发及其用于高值手性(R)-β-氨基醇合成的研究取得新进展
手性氨基醇作为重要的结构元件，已经被广泛应用于合成药物和生物活性分子。如：(R）-2-氨基-3-甲基-1-丁醇是生产第二代口服CDK抑制剂（R）-Roscovitine(用于治疗癌症)的关键手性中间体，（R）-2-氨基-3-苯基丙醇是生产促醒药物Solriamfetol的关键手性中间体，等等。手性β-氨基醇的广泛应用突显了其高效合成方法的开发具有重要价值。
图1. 一些含有手性氨基醇结构的代表性的生物医药和生物活性分子：红色部分表示(S)-β-氨基醇，蓝色部分表示(R)-β-氨基醇。
日前，我院海洋天然产物研究团队与荷兰代尔夫特理工大学的Frank Hollmann教授合作，在工程化胺醇脱氢酶的开发及生物医药关键中间体(R)-β-氨基醇的合成方面取得进展。
前期研究中，团队基于宏基因组探矿技术，从海洋环境样品中挖掘获得多个具有独特酶学性质的新型氨基酸脱氢酶。基于前期基础，研究团队进一步对其中一个热泉来源缬氨酸脱氢酶的活性口袋中决定其底物特异性的关键位点进行半理性改造，筛选获得具有(S)-β-氨基醇氧化脱氨活力的突变体，称之为工程化胺醇脱氢酶（图2）。尽管上述获得的胺醇脱氢酶在氧化脱氨过程中具有高度的立体选择性（>99% ee），但其底物谱较窄，能催化的底物有限，阻碍了其实际工业应用。团队进而提出了系统发育分析指导的双密码子饱和突变策略，实现针对不同底物的特异性进化，获得对不同类型(S)-β-氨基醇均具有较高氧化脱氨活力的第二代突变体（图3）。最后，团队将工程化的胺醇脱氢酶应用于外消旋氨基醇的手性拆分及去消旋化，成功将6个外消旋β-氨基醇高效转化为(R)-β-氨基醇，转化率达99%，立体化学选择性达99%（图4）。该工作拓展了合成β-手性氨基醇的生物催化工具箱，为生物医药关键中间体手性(R)-β-氨基醇的高效绿色合成提供新途径、新工艺。同时，本工作也为氨基酸脱氢酶及胺脱氢酶等相关酶蛋白的底物特异性改造提供了新方法、新策略。
图2. 研究团队从热泉沉积物宏基因组序列中挖掘并改造了1个来源氨基酸脱氢酶的工程胺醇脱氢酶（突变体N216M）
图3. 本研究提出的系统发育分析引导的双密码饱和突变策略，并对不同模型底物成功获取最优突变体
图4. 工程胺醇脱氢酶在生物医药关键中间体（R）-β-氨基醇合成中的应用
上述成果发表于生物工程领域的权威期刊 《ACS Catalysis》（中科院大类一区Top期刊，IF= 12.9）上，（Xinjian Yin, Wenzhong Gong, Yujing Zeng, Hulin Qiu, Lan Liu, Frank Hollmann,* and Bishuang Chen*，Substrate-Speciffc Evolution of Amine Dehydrogenases for Accessing Structurally Diverse Enantiopure (R)‑β-Amino Alcohols，ACS Catal. 2024, 14, 837−845）。论文第一作者为我院尹新坚副研究员，共同通讯作者为我院陈碧双副教授和荷兰代尔夫特理工大学的Frank Hollmann教授。
该研究得到国家自然科学基金项目（22108317、42376097）、广东省自然科学基金项目（2019A1515111051、2021A1515010829、2023A1515030226）和中国博士后科学基金项目（2020M680314）的联合资助。
