用于酰胺键形成的工程化醛脱氢酶

《SCIENCE》：Engineered aldehyde dehydrogenases for amide bond formation

氧化 amidases 的酶催化酰胺合成新策略，通过工程化醛脱氢酶（ALDHs）创造更宽敞、疏水的催化口袋，使醛与胺直接在氧作用下形成酰胺，无需化学试剂。该催化体系可处理多种官能团底物（醇、醛、酮、羧酸等），并与醇脱氢酶联用形成两步级联反应，实现从醇到酰胺的一锅合成。成功重构五个药物分子的合成路径，原子经济性提升达80%，为绿色制药提供高效工具。

　　

编辑总结

酰胺是生物化学中的一个基本官能团，存在于许多天然产物和合成药物中。形成酰胺的偶联反应通常依赖于羧酸的活化，使其作为亲电试剂与胺类亲核试剂反应，但如果将醛类与氧化剂结合使用，醛类也可以作为亲电试剂。Gao等人发现了具有适当初始活性的醛脱氢酶，并对其进行了改造以提高效率。作者直接实现了对更稳定的芳香醛类的酰胺偶联，或者通过级联反应实现了对脂肪醇的酰胺偶联，并展示了几种药物分子的替代合成方法。——Michael A. Funk

结构摘要

引言

酰胺键是药物中最常见的结构基元之一。2023年零售销售额排名前200的小分子药物中有117种至少含有一个酰胺键。药物开发和工艺化学中使用的化学转化有一半集中在酰胺偶联反应上。然而，传统的化学合成通常依赖于使用计量或过量偶联试剂生成的活化羧酸衍生物。这些方法会产生大量废物，限制了底物的范围，并降低了原子经济性。因此，开发更高效和可持续的酰胺合成方法是非常有必要的。在这项工作中，我们将醛脱氢酶（ALDHs）重新定向为氧化酰胺酶（OxiAms），它们通过氧化酰胺化直接将醛类和胺类结合成酰胺。

原理

ALDHs通过硫酯中间体将醛类氧化为羧酸。我们提出，通过蛋白质工程，可以在水解之前用胺类捕获这个活性中间体，从而直接生成酰胺。实现这一化学过程需要重新设计催化口袋。在X射线结构分析的指导下，替换了结合口袋中的几个保守氨基酸残基，以创建一个更加宽敞且疏水的环境，从而增强胺类的结合能力和反应性。

结果

经过改造的OxiAms在温和的水性条件下，仅使用氧气作为氧化剂，就能催化结构多样的醛类和胺类之间的酰胺键形成。X射线晶体学证实了活性位点的重塑，该重塑能够容纳胺类并稳定酰胺化路径。OxiAms表现出广泛的底物范围和高选择性，主要产物为酰胺。这种生物催化的酰胺键形成反应能够容忍多种常见的官能团，包括游离醇、酮、羧酸、酯、酰胺和烯烃。此外，将OxiAms与醇脱氢酶结合使用，可以实现两步酶促级联反应，将醇类直接转化为酰胺。将这种方法应用于五种含有酰胺的药物分子，显示出与传统方法相比，原子经济性和步骤经济性都有所提高。这一策略在多种ALDH中都具有普遍适用性，表明OxiAms在广泛分布的ALDH中具有广泛的进化潜力。

结论

将ALDHs重新定向为OxiAms，使其成为高效的酰胺键形成生物催化剂。这一策略为合成结构多样的酰胺提供了一个绿色、多功能的平台，突显了酶工程在通过生物催化合成推动药物制造方面的潜力。

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本研究开发了一种蛋白质工程策略，将ALDHs转化为OxiAms，使其能够催化不同醇类或醛类与胺类之间的酰胺键形成。

图中引用的氨基酸残基的单字母缩写如下：E，Glu；T，Thr；R，Arg；L，Leu；G，Gly；M，Met。

摘要

酰胺键的形成在药物合成中广泛应用，通常涉及使用计量偶联试剂来活化羧酸底物进行缩合反应。作为一种替代方法，我们将醛脱氢酶重新定向为氧化酰胺酶，通过创建一个更加疏水且宽敞的催化口袋来捕获硫酯中间体。这种生物催化剂能够高效地促进不同醛类和胺类之间的酰胺键形成。我们还开发了一种两步酶促级联反应，从广泛可获得的脂肪醇合成酰胺。这种生物催化策略使得五种药物分子的合成路线得以重新设计。我们的发现突显了氧化酰胺酶在通过高效酰胺键形成推动结构多样药物分子合成方面的潜力。