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酶催化平臺開啟神奇魔法：打造化學反應(yīng)的“綠色引擎”

2020年01月17日 16:44

▎藥明康德/報道　　當?shù)谝豢|生命的曙光，從地球億萬年演化的進程中蘇醒，酶催化反應(yīng)便與生命相伴。酶廣泛存在于各種細胞中，生物體內(nèi)數(shù)千種新陳代謝的化學反應(yīng)，都是在酶催化的作用下完成。可以說，每個生命的個體，都宛如一間奇妙的化工廠，每時每刻都在發(fā)生著高效、特異性的復(fù)雜化學反應(yīng)，而酶則是助推這些神奇反應(yīng)的生物催化劑。　　化學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/報道
　　當?shù)谝豢|生命的曙光，從地球億萬年演化的進程中蘇醒，酶催化反應(yīng)便與生命相伴。酶廣泛存在于各種細胞中，生物體內(nèi)數(shù)千種新陳代謝的化學反應(yīng)，都是在酶催化的作用下完成?？梢哉f，每個生命的個體，都宛如一間奇妙的化工廠，每時每刻都在發(fā)生著高效、特異性的復(fù)雜化學反應(yīng)，而酶則是助推這些神奇反應(yīng)的生物催化劑。
　　化學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”，是否可以用在化學合成上呢？一個多世紀以來，神秘而奇妙的“酶”從幕后來到臺前，成為了眾多科學家們研究的對象。就在去年，酶分子定向進化技術(shù)學者還榮膺了諾貝爾化學獎。
 
 
▲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，為化學反應(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。
　　“早期客戶對我們提出需求時會指定某一步反應(yīng)需要酶催化。我們要做的就是把在實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：“但是我們當時在想一個問題，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，達到了綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的目的。從那時起，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，并為化學反應(yīng)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合成反應(yīng)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、酸堿度或者化學溶劑內(nèi)環(huán)境因素的改變，都會使酶的催化能力發(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或者一類化學反應(yīng)。科學家打過一個形象的比方——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化的化學合成反應(yīng)呢？“找酶”成了推動酶催化發(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，提升酶定向進化效率
 
　　事實上在全球范圍內(nèi)可供選擇的酶種類是非常有限的，與化學試劑規(guī)模無法相提并論。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，就必須具備“改造酶”的能力！于是，合全藥業(yè)酶定向進化平臺應(yīng)運而生。
 
　　2018年，合全藥業(yè)酶定向進化平臺邁出了堅實的第一步。在一個重要的項目中，一個關(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%。但隨著項目推進到臨床后期（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(xiàn)有酶庫，構(gòu)建了一個生物催化路線，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。但該路線仍需同時使用三種酶、兩種輔酶、控制溶液pH值，操作不夠簡便，而且成本優(yōu)勢還不夠明顯。
 
　　為了解決這一問題，團隊利用前沿的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，通過創(chuàng)新性的計算機建模，預(yù)測出了少數(shù)對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)上實現(xiàn)了對酶的高通量定向進化。計算機建模的神奇之處就在于，可以根據(jù)氨基酸序列預(yù)測酶的結(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，從化學問題變成可計算的數(shù)學問題。然后，再利用挑菌機器人將計算機推薦的潛在突變體進行快速篩選。團隊僅用1個月的時間，通過2輪AI預(yù)測及機器人篩選的過程就完成了酶進化。只用一種酶、一種輔酶就能完成反應(yīng)，收率達90%，成本比最早的五步化學路線降低70%以上。這一工作得到了合作伙伴的高度肯定，同時也為接下來STA 酶進化業(yè)務(wù)奠定了較高的技術(shù)起點。
 
　　如今，合全藥業(yè)擁有設(shè)備齊全的高通量酶進化實驗室，集成了結(jié)構(gòu)生物學、數(shù)學模型、高通量篩選、計算機藥物設(shè)計等多學科的尖端科技。合全的酶定向進化技術(shù)，能在數(shù)月時間內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百萬年的自然進化過程，有方向、有選擇性地進化改造現(xiàn)有的酶。
 
 
一圖讀懂合全藥業(yè)高通量酶定向進化技術(shù)
 
　　如果把酶活性中心比作一個口袋的話，酶進化就是口袋改造的過程。用天然酶進化時，非天然底物往往與口袋不匹配，導致反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，選擇性差。這時，需要對酶做進化，對口袋進行改造。
　　首先，我們通過計算模擬，設(shè)計各種可能適合底物的口袋。然后，通過實驗做出這些口袋，就是所謂的突變體。然后，用挑菌機器人，把成千上萬個突變體放到96孔板中，再加入底物，進行高通量反應(yīng)、篩選、分析。然后找到相對轉(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，但是還不完美，就需要以優(yōu)化后的突變體，繼續(xù)做下一輪的計算機設(shè)計、實驗、篩選、分析。經(jīng)過多輪次優(yōu)化，底物和口袋匹配度會達到比較契合的程度，完成酶進化，得到了高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的酶。
　　篩選酶，進化酶，批量生產(chǎn)酶
　　經(jīng)過多年的發(fā)展，合全藥業(yè)酶催化平臺也經(jīng)歷了從早期的被動選酶，到現(xiàn)在主動改造、進化酶的過程。合全進化的酶屬于新酶，如果不能生產(chǎn)的話，也是不能用到工藝化學中。因此，在綠色化學的探索中，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)展自己的酶定向進化數(shù)據(jù)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)每年有超過數(shù)千批次的化學反應(yīng)，預(yù)計將來會有越來越多的反應(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，到進化酶，再到批量生產(chǎn)酶，合全給傳統(tǒng)的化學反應(yīng)搭載了高效的“綠色引擎”，并將引領(lǐng)綠色化學駛向嶄新的未來！