酶催化平臺開(kāi)啟神奇魔法:打造化學(xué)反應的“綠色引擎”
2020年01月17日 16:44
▎藥明康德/報道 當第一縷生命的曙光,從地球億萬(wàn)年演化的進(jìn)程中蘇醒,酶催化反應便與生命相伴。酶廣泛存在于各種細胞中,生物體內數千種新陳代謝的化學(xué)反應,都是在酶催化的作用下完成。可以說(shuō),每個(gè)生命的個(gè)體,都宛如一間奇妙的化工廠(chǎng),每時(shí)每刻都在發(fā)生著(zhù)高效、特異性的復雜化學(xué)反應,而酶則是助推這些神奇反應的生物催化劑。 化學(xué)家們從奧妙的生物體中找到靈感:存在于生命體內、有著(zhù)魔力般作用的“酶”,是否可以用在
藥明康德/報道
當第一縷生命的曙光,從地球億萬(wàn)年演化的進(jìn)程中蘇醒,酶催化反應便與生命相伴。酶廣泛存在于各種細胞中,生物體內數千種新陳代謝的化學(xué)反應,都是在酶催化的作用下完成。可以說(shuō),每個(gè)生命的個(gè)體,都宛如一間奇妙的化工廠(chǎng),每時(shí)每刻都在發(fā)生著(zhù)高效、特異性的復雜化學(xué)反應,而酶則是助推這些神奇反應的生物催化劑。
化學(xué)家們從奧妙的生物體中找到靈感:存在于生命體內、有著(zhù)魔力般作用的“酶”,是否可以用在化學(xué)合成上呢?一個(gè)多世紀以來(lái),神秘而奇妙的“酶”從幕后來(lái)到臺前,成為了眾多科學(xué)家們研究的對象。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。
▲酶-底物過(guò)渡態(tài)復合物結構模型
著(zhù)力打造酶催化平臺,為化學(xué)反應搭載“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)合成反應中的巨大潛能,并開(kāi)始在工藝研發(fā)中使用酶。
“早期客戶(hù)對我們提出需求時(shí)會(huì )指定某一步反應需要酶催化。我們要做的就是把在實(shí)驗室里的酶催化放大在生產(chǎn)中,”合全藥業(yè)高級副總裁傅小勇博士回憶道:“但是我們當時(shí)在想一個(gè)問(wèn)題,如果客戶(hù)給我們的工藝包里沒(méi)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,挑選出最適合該項目的酶?”
2013年起,合全藥業(yè)逐步建立了酶催化研發(fā)團隊,并在20多種新藥生產(chǎn)研發(fā)中,實(shí)現了基于酶制備關(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,達到了綠色環(huán)保可持續發(fā)展的目的。從那時(shí)起,合全藥業(yè)成為CDMO行業(yè)內較早開(kāi)啟酶催化探索之路的公司,并為化學(xué)反應搭載了高效、環(huán)保的“綠色引擎”。
誠然,酶作為高效、清潔的催化劑在化學(xué)合成反應中發(fā)揮了重要作用,但酶還是很“嬌貴”的,對于環(huán)境也很“挑剔”。任何溫度、酸堿度或者化學(xué)溶劑內環(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(zhuān)一性:一種酶只能夠催化一個(gè)或者一類(lèi)化學(xué)反應。科學(xué)家打過(guò)一個(gè)形象的比方——一把鑰匙開(kāi)一把鎖。
那么如此“有性格”的酶,該怎么挑選才能滿(mǎn)足千變萬(wàn)化的化學(xué)合成反應呢?“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(huà)那該怎么辦?
AI技術(shù)結合高通量篩選,提升酶定向進(jìn)化效率
事實(shí)上在全球范圍內可供選擇的酶種類(lèi)是非常有限的,與化學(xué)試劑規模無(wú)法相提并論。合全藥業(yè)發(fā)現,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產(chǎn)物高度匹配的特異性酶。也就是說(shuō),未來(lái),合全想要在酶催化領(lǐng)域走得更遠,就必須具備“改造酶”的能力!于是,合全藥業(yè)酶定向進(jìn)化平臺應運而生。
2018年,合全藥業(yè)酶定向進(jìn)化平臺邁出了堅實(shí)的第一步。在一個(gè)重要的項目中,一個(gè)關(guān)鍵的手性中間體合成原需要通過(guò)5步反應完成,且收率僅40%。但隨著(zhù)項目推進(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)酶催化團隊首先篩選現有酶庫,構建了一個(gè)生物催化路線(xiàn),只用一步反應就取代了原先的五步反應,收率提高到76%,成本降低1/3。但該路線(xiàn)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)勢還不夠明顯。
為了解決這一問(wèn)題,團隊利用前沿的大數據和人工智能技術(shù),通過(guò)創(chuàng )新性的計算機建模,預測出了少數對酶催化活性可能有顯著(zhù)影響的結構區域,在此基礎上實(shí)現了對酶的高通量定向進(jìn)化。計算機建模的神奇之處就在于,可以根據氨基酸序列預測酶的結構,并篩選出符合預期活性的酶分子。研究人員需要把酶與底物的相互作用,從化學(xué)問(wèn)題變成可計算的數學(xué)問(wèn)題。然后,再利用挑菌機器人將計算機推薦的潛在突變體進(jìn)行快速篩選。團隊僅用1個(gè)月的時(shí)間,通過(guò)2輪AI預測及機器人篩選的過(guò)程就完成了酶進(jìn)化。只用一種酶、一種輔酶就能完成反應,收率達90%,成本比最早的五步化學(xué)路線(xiàn)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(lái)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)擁有設備齊全的高通量酶進(jìn)化實(shí)驗室,集成了結構生物學(xué)、數學(xué)模型、高通量篩選、計算機藥物設計等多學(xué)科的尖端科技。合全的酶定向進(jìn)化技術(shù),能在數月時(shí)間內實(shí)現數百萬(wàn)年的自然進(jìn)化過(guò)程,有方向、有選擇性地進(jìn)化改造現有的酶。
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(huà),酶進(jìn)化就是口袋改造的過(guò)程。用天然酶進(jìn)化時(shí),非天然底物往往與口袋不匹配,導致反應轉化率低,選擇性差。這時(shí),需要對酶做進(jìn)化,對口袋進(jìn)行改造。
首先,我們通過(guò)計算模擬,設計各種可能適合底物的口袋。然后,通過(guò)實(shí)驗做出這些口袋,就是所謂的突變體。然后,用挑菌機器人,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、篩選、分析。然后找到相對轉化率高、選擇高的突變體。通過(guò)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?xún)?yōu)化后的突變體,繼續做下一輪的計算機設計、實(shí)驗、篩選、分析。經(jīng)過(guò)多輪次優(yōu)化,底物和口袋匹配度會(huì )達到比較契合的程度,完成酶進(jìn)化,得到了高轉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(guò)多年的發(fā)展,合全藥業(yè)酶催化平臺也經(jīng)歷了從早期的被動(dòng)選酶,到現在主動(dòng)改造、進(jìn)化酶的過(guò)程。合全進(jìn)化的酶屬于新酶,如果不能生產(chǎn)的話(huà),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。不但能夠支持自身用酶的需求,還能向客戶(hù)提供專(zhuān)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(lái),我們將大力發(fā)展自己的酶定向進(jìn)化數據庫,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(guò)數千批次的化學(xué)反應,預計將來(lái)會(huì )有越來(lái)越多的反應有望采用酶催化技術(shù),這將大大降低規模化生產(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,合全給傳統的化學(xué)反應搭載了高效的“綠色引擎”,并將引領(lǐng)綠色化學(xué)駛向嶄新的未來(lái)!
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