北京大学雷晓光团队，再发Science！

米测MeLab

2026-02-09

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

酰胺键是制药中最常见的结构单元，2023年零售额前200种药物中超过一半含有该结构。医药化学中约50%的转化涉及酰胺偶联，开发一种高效、可持续且能直接利用低活化态前体（如醛或醇）的生物催化合成方法，对绿色制药具有重要意义。

关键问题

目前，酰胺键的合成主要存在以下问题：

1、传统酰胺合成的低原子经济性

现有的化学和生物催化路径大多依赖于高活化态的羰基化合物（如酸、酯），通常需要昂贵的偶联试剂来激活底物，不仅步骤繁琐且会产生大量副产物。

2、低活化态前体生物催化的空白

直接从醛或醇出发通过氧化酰胺化形成酰胺键在生物催化领域尚未被开发，而现有的化学金属催化法（如钌、铜催化）常因成本高或毒性限制而难以广泛应用。

新思路

有鉴于此，北京大学雷晓光等人通过创建一个更疏水且宽敞的催化口袋，使胺能够捕捉硫酯中间体，从而将醛脱氢酶（ALDHs）重新利用为氧化酰胺酶（OxiAms）。这种生物催化剂能高效促进多种醛类和胺类之间形成酰胺键。作者还开发了一种两步酶级联反应，从广泛易得的脂肪醇合成酰胺。这一生物催化策略实现了五种药物分子合成路线的重新设计。该发现突显了氧化酰胺酶在通过高效酰胺键形成推进结构多样化药物分子合成方面的潜力。

技术方案：

1、开发了PHBDD的结构导向工程

研究通过定点诱变将对羟基苯甲醛脱氢酶转化为氧化酰胺化酶，E259N突变使酰胺化活性提高300倍，组合突变R166M-E259L降低水解活性，迭代突变扩大催化空间实现多种胺类高选择性酰胺化。

2、捕捉到了M1变体与底物形成的半硫缩醛中间体

X射线晶体结构证实OxiAm遵循ALDH经典催化路径，R166M/E259L突变消除水活化微环境，L163G/T234G突变扩大底物结合口袋和胺隧道直径。

3、探索了醛和胺的底物适用性

OxiAms兼容多种醛类底物及医药杂环，对脂肪胺、芳香胺均表现良好活性，可耐受伯胺、仲胺及多种官能团，位置选择性和区域选择性优异，是合成复杂酰胺分子的理想工具。

4、展示了级联反应与药物合成应用

ADH-OxiAm级联系统实现醇到酰胺直接转化，成功应用于lazabemide、vadadustat和伊马替尼等药物合成，缩短工艺步骤，避免化学计量试剂，展现出绿色制药巨大应用价值。

技术优势：

1、实现了直接的氧化酰胺化      

研究通过理性蛋白质工程，将原本氧化醛类产生酸的ALDH改造为OxiAm，利用其原本的硫酯中间体被胺进攻而非被水水解，实现了直接的氧化酰胺化。

2、展现了卓越的药物合成应用潜力

本文构建了从醇到酰胺的“一锅法”级联系统，成功实现了包括阿哌沙班、伊马替尼、瓦达度司他等多种重磅药物及中间体的高效合成，显著提升了步骤经济性。

技术细节

PHBDD的结构导向工程

研究团队以对羟基苯甲醛脱氢酶（PHBDD）为起点，旨在开发一种通用的生物催化平台。首先，通过序列分析和定点诱变，识别出E259残基是负责硫酯中间体水解的关键催化碱。通过对E259进行饱和突变，发现E259N变体使酰胺化活性提高了约300倍，初步验证了将ALDH转化为OxiAm的可行性。随后，研究者识别出另一个关键残基R166，它通过氢键与水分子的相互作用参与产酸过程。通过组合突变（如R166M-E259L，命名为M1），研究发现其不仅降低了水解活性，还开始对乙胺等脂肪胺产生反应。为了进一步优化对体积较大胺类的兼容性，团队通过迭代饱和突变筛选了结合口袋内的8个疏水残基，最终通过L163G和T234G突变显着扩大了催化空间。改进后的变体M2在碱性条件下实现了对多种胺类的高转化率和高酰胺选择性，成功完成了酶功能的彻底重塑。

图  酰胺键的形成：以前的策略和酶氧化酰胺化方法

催化机制研究与通道重塑

通过X射线晶体结构分析，研究团队捕捉到了M1变体与底物形成的半硫缩醛中间体，证实了OxiAm遵循ALDH家族经典的催化路径。关键的R166M和E259L突变消除了原有的水活化微环境，使产酸活性降低了500倍以上，为亲核性更强的胺类攻击硫酯中间体创造了竞争优势。此外，碱性环境（pH 10.5）有助于增加游离胺的浓度，进一步促进氨解反应。结构对比显示，L163G突变通过减小位阻显着扩大了底物结合口袋，从而降低了乙胺等底物的Michaelis-Menten常数（K_m值）。更重要的是，CAVER软件模拟揭示了酶内存在两个底物隧道：醛通过右侧隧道进入，而T234G突变则将左侧的胺隧道直径从6.1 Å扩大至8.1 Å。这种通道的重塑允许胺类更自由地接触并攻击硫酯中间体，显著提升了催化效率。这种基于结构的改造策略具有普适性，可成功应用于ALDH1至ALDH4等多个家族成员的转化。

图  将PHBDD工程化为氧化酰胺酶

醛和胺的底物适用性探索

OxiAms表现出极广的底物兼容性。在醛类底物方面，各种带有电子给体或受体取代基的苯甲醛均能高效转化。尽管带电荷的亲水基团（如游离羧基、氨基）曾因疏水口袋限制导致识别较差，但通过保护策略或特定变体（如M3）可恢复活性。此外，酶表现出优秀的位置和区域选择性，能够精确区分二醛中的特定基团，并兼容吡啶、喹啉、噻吩等多种医药核心杂环。在胺类底物方面，M1-T234G等变体对碳链长度小于3的伯胺及环丙胺等表现出良好活性。针对亲核性较弱的芳香胺（苯胺类），研究者进一步开发了包含T234H突变的M3变体，其中组氨酸可能充当催化碱促进苯胺对硫酯的攻击。该系统可耐受伯胺、仲胺及多种官能团（如炔基、酯基、羧基），甚至能实现芳香胺优于脂肪胺的特殊选择性。这种广泛的适用性使OxiAms成为合成结构复杂、官能团敏感的酰胺类分子的理想工具。

图  广泛的醛和胺范围表明工程PHBDD具有出色的分离收率的显着催化能力

级联反应与药物合成应用

考虑到脂肪醛的不稳定性，研究者构建了ADH-OxiAm两步酶级联系统，结合NAD(P)+再生体系TpNOX，利用氧气作为唯一氧化剂，实现了从醇到酰胺的直接转化。该级联系统不仅能处理脂肪醇，还能兼容复杂的药物前体，如saruparib的中间体。这种“一锅法”策略显著提高了原子利用率，避免了中间产物分离带来的损失。在实际应用中，OxiAms展现了强大的克级合成能力，如单胺氧化酶抑制剂lazabemide的产率达到60%。在贫血药物瓦达度司他（vadadustat）的合成中，通过重新设计的化学生物合成路径，不仅将传统工艺的5步缩短为4步，还避免了复杂的区域选择性问题和化学计量偶联试剂的使用。同样，在伊马替尼（imatinib）的正式合成中，OxiAm变体通过高选择性的氧化酰胺化，显著简化了中间体的纯化步骤。这些成功案例证明了OxiAms在改进制药工艺、降低环境影响方面的巨大应用价值。

图  工程氧化酰胺酶的合成应用

展望

本研究通过精密的蛋白质工程，成功将醛脱氢酶转化为高效、绿色的氧化酰胺酶（OxiAms）。该酶不仅突破了传统化学合成对昂贵活化试剂的依赖，还通过重塑催化隧道和口袋，实现了对多样化醛、胺底物的高效转化。结合酶级联技术，该方法为从醇类直接生产酰胺类药物提供了全新的原子经济性路径，在简化药物合成步骤、降低工业成本和减少废物排放方面具有深远意义。

参考文献：

LEI GAO, et al. Engineered aldehyde dehydrogenases for amide bond formation. Science, 391(6784).

DOI: 10.1126/science.adw3365

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw3365