酶催化平臺(tái)開啟神奇魔法：打造化學(xué)反應(yīng)的“綠色引擎”
2020年01月17日 16:44
▎藥明康德/報(bào)道 當(dāng)?shù)谝豢|生命的曙光，從地球億萬(wàn)年演化的進(jìn)程中蘇醒，酶催化反應(yīng)便與生命相伴。酶廣泛存在于各種細(xì)胞中，生物體內(nèi)數(shù)千種新陳代謝的化學(xué)反應(yīng)，都是在酶催化的作用下完成?？梢哉f，每個(gè)生命的個(gè)體，都宛如一間奇妙的化工廠，每時(shí)每刻都在發(fā)生著高效、特異性的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，而酶則是助推這些神奇反應(yīng)的生物催化劑?！ 』瘜W(xué)家們從奧妙的生物體中找到靈感：存在于生命體內(nèi)、有著魔力般作用的“酶”，是否可以用在
藥明康德/報(bào)道
當(dāng)?shù)谝豢|生命的曙光，從地球億萬(wàn)年演化的進(jìn)程中蘇醒，酶催化反應(yīng)便與生命相伴。酶廣泛存在于各種細(xì)胞中，生物體內(nèi)數(shù)千種新陳代謝的化學(xué)反應(yīng)，都是在酶催化的作用下完成?？梢哉f，每個(gè)生命的個(gè)體，都宛如一間奇妙的化工廠，每時(shí)每刻都在發(fā)生著高效、特異性的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，而酶則是助推這些神奇反應(yīng)的生物催化劑。
化學(xué)家們從奧妙的生物體中找到靈感：存在于生命體內(nèi)、有著魔力般作用的“酶”，是否可以用在化學(xué)合成上呢？一個(gè)多世紀(jì)以來，神秘而奇妙的“酶”從幕后來到臺(tái)前，成為了眾多科學(xué)家們研究的對(duì)象。就在去年，酶分子定向進(jìn)化技術(shù)學(xué)者還榮膺了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
▲酶-底物過渡態(tài)復(fù)合物結(jié)構(gòu)模型
著力打造酶催化平臺(tái)，為化學(xué)反應(yīng)搭載“綠色引擎”
合全藥業(yè)早在十多年前就捕捉到了酶催化在化學(xué)合成反應(yīng)中的巨大潛能，并開始在工藝研發(fā)中使用酶。
“早期客戶對(duì)我們提出需求時(shí)會(huì)指定某一步反應(yīng)需要酶催化。我們要做的就是把在實(shí)驗(yàn)室里的酶催化放大在生產(chǎn)中，”合全藥業(yè)高級(jí)副總裁傅小勇博士回憶道：“但是我們當(dāng)時(shí)在想一個(gè)問題，如果客戶給我們的工藝包里沒有用到酶，我們還是否有能力提供解決方案？我們能否從市場(chǎng)已有的酶分子中，挑選出最適合該項(xiàng)目的酶？”
2013年起，合全藥業(yè)逐步建立了酶催化研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并在20多種新藥生產(chǎn)研發(fā)中，實(shí)現(xiàn)了基于酶制備關(guān)鍵手性中間體的核心工藝研發(fā)，有效降低了污染源的產(chǎn)生，達(dá)到了綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的目的。從那時(shí)起，合全藥業(yè)成為CDMO行業(yè)內(nèi)較早開啟酶催化探索之路的公司，并為化學(xué)反應(yīng)搭載了高效、環(huán)保的“綠色引擎”。
誠(chéng)然，酶作為高效、清潔的催化劑在化學(xué)合成反應(yīng)中發(fā)揮了重要作用，但酶還是很“嬌貴”的，對(duì)于環(huán)境也很“挑剔”。任何溫度、酸堿度或者化學(xué)溶劑內(nèi)環(huán)境因素的改變，都會(huì)使酶的催化能力發(fā)生變化，輕則催化能力降低，重則完全喪失催化能力。此外，酶的催化具有專一性：一種酶只能夠催化一個(gè)或者一類化學(xué)反應(yīng)?？茖W(xué)家打過一個(gè)形象的比方——一把鑰匙開一把鎖。
那么如此“有性格”的酶，該怎么挑選才能滿足千變?nèi)f化的化學(xué)合成反應(yīng)呢？“找酶”成了推動(dòng)酶催化發(fā)展的重要一步。但去哪里找酶？如果找不到的話那該怎么辦？
AI技術(shù)結(jié)合高通量篩選，提升酶定向進(jìn)化效率
事實(shí)上在全球范圍內(nèi)可供選擇的酶種類是非常有限的，與化學(xué)試劑規(guī)模無(wú)法相提并論。合全藥業(yè)發(fā)現(xiàn)，如果想要為合作伙伴提供高效的酶催化解決方案，就一定要找到與底物和目標(biāo)產(chǎn)物高度匹配的特異性酶。也就是說，未來，合全想要在酶催化領(lǐng)域走得更遠(yuǎn)，就必須具備“改造酶”的能力！于是，合全藥業(yè)酶定向進(jìn)化平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。
2018年，合全藥業(yè)酶定向進(jìn)化平臺(tái)邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。在一個(gè)重要的項(xiàng)目中，一個(gè)關(guān)鍵的手性中間體合成原需要通過5步反應(yīng)完成，且收率僅40%。但隨著項(xiàng)目推進(jìn)到臨床后期（P2b/P3），迫切需要提升效率、降低成本。為此，合全藥業(yè)酶催化團(tuán)隊(duì)首先篩選現(xiàn)有酶庫(kù)，構(gòu)建了一個(gè)生物催化路線，只用一步反應(yīng)就取代了原先的五步反應(yīng)，收率提高到76%，成本降低1/3。但該路線仍需同時(shí)使用三種酶、兩種輔酶、控制溶液pH值，操作不夠簡(jiǎn)便，而且成本優(yōu)勢(shì)還不夠明顯。
為了解決這一問題，團(tuán)隊(duì)利用前沿的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，通過創(chuàng)新性的計(jì)算機(jī)建模，預(yù)測(cè)出了少數(shù)對(duì)酶催化活性可能有顯著影響的結(jié)構(gòu)區(qū)域，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)酶的高通量定向進(jìn)化。計(jì)算機(jī)建模的神奇之處就在于，可以根據(jù)氨基酸序列預(yù)測(cè)酶的結(jié)構(gòu)，并篩選出符合預(yù)期活性的酶分子。研究人員需要把酶與底物的相互作用，從化學(xué)問題變成可計(jì)算的數(shù)學(xué)問題。然后，再利用挑菌機(jī)器人將計(jì)算機(jī)推薦的潛在突變體進(jìn)行快速篩選。團(tuán)隊(duì)僅用1個(gè)月的時(shí)間，通過2輪AI預(yù)測(cè)及機(jī)器人篩選的過程就完成了酶進(jìn)化。只用一種酶、一種輔酶就能完成反應(yīng)，收率達(dá)90%，成本比最早的五步化學(xué)路線降低70%以上。這一工作得到了合作伙伴的高度肯定，同時(shí)也為接下來STA 酶進(jìn)化業(yè)務(wù)奠定了較高的技術(shù)起點(diǎn)。
如今，合全藥業(yè)擁有設(shè)備齊全的高通量酶進(jìn)化實(shí)驗(yàn)室，集成了結(jié)構(gòu)生物學(xué)、數(shù)學(xué)模型、高通量篩選、計(jì)算機(jī)藥物設(shè)計(jì)等多學(xué)科的尖端科技。合全的酶定向進(jìn)化技術(shù)，能在數(shù)月時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)年的自然進(jìn)化過程，有方向、有選擇性地進(jìn)化改造現(xiàn)有的酶。
一圖讀懂合全藥業(yè)高通量酶定向進(jìn)化技術(shù)
如果把酶活性中心比作一個(gè)口袋的話，酶進(jìn)化就是口袋改造的過程。用天然酶進(jìn)化時(shí)，非天然底物往往與口袋不匹配，導(dǎo)致反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，選擇性差。這時(shí)，需要對(duì)酶做進(jìn)化，對(duì)口袋進(jìn)行改造。
首先，我們通過計(jì)算模擬，設(shè)計(jì)各種可能適合底物的口袋。然后，通過實(shí)驗(yàn)做出這些口袋，就是所謂的突變體。然后，用挑菌機(jī)器人，把成千上萬(wàn)個(gè)突變體放到96孔板中，再加入底物，進(jìn)行高通量反應(yīng)、篩選、分析。然后找到相對(duì)轉(zhuǎn)化率高、選擇高的突變體。通過這一輪的篩選，底物與突變體口袋匹配度比天然酶有很大的改進(jìn)，但是還不完美，就需要以優(yōu)化后的突變體，繼續(xù)做下一輪的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、篩選、分析。經(jīng)過多輪次優(yōu)化，底物和口袋匹配度會(huì)達(dá)到比較契合的程度，完成酶進(jìn)化，得到了高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的酶。
篩選酶，進(jìn)化酶，批量生產(chǎn)酶
經(jīng)過多年的發(fā)展，合全藥業(yè)酶催化平臺(tái)也經(jīng)歷了從早期的被動(dòng)選酶，到現(xiàn)在主動(dòng)改造、進(jìn)化酶的過程。合全進(jìn)化的酶屬于新酶，如果不能生產(chǎn)的話，也是不能用到工藝化學(xué)中。因此，在綠色化學(xué)的探索中，合全也從未止步于此，而是不斷地在酶催化領(lǐng)域深耕細(xì)作。如今合全藥業(yè)在上海金山基地建立了酶催化從篩選到進(jìn)化，再到生產(chǎn)的一體化能力平臺(tái)。不但能夠支持自身用酶的需求，還能向客戶提供專業(yè)的酶生產(chǎn)服務(wù)。
傅小勇博士表示：“合全不但具備了酶篩選和進(jìn)化能力，更具備了酶的批量生產(chǎn)能力，可以為合作伙伴提供全方位的酶催化服務(wù)。未來，我們將大力發(fā)展自己的酶定向進(jìn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，為更多合作伙伴提供高品質(zhì)的酶催化定制服務(wù)。”
目前，合全藥業(yè)每年有超過數(shù)千批次的化學(xué)反應(yīng)，預(yù)計(jì)將來會(huì)有越來越多的反應(yīng)有望采用酶催化技術(shù)，這將大大降低規(guī)?；a(chǎn)的成本，并提高效率。從篩選酶，到進(jìn)化酶，再到批量生產(chǎn)酶，合全給傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)搭載了高效的“綠色引擎”，并將引領(lǐng)綠色化學(xué)駛向嶄新的未來！
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