酶催化平臺開啟神奇魔法: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(xué)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(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(xué)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(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(xué)家們研究的對象。就在去年,酶分子定向進化技術(shù)學(xué)者還榮膺了諾貝爾化學(xué)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(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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)反應(yīng)??茖W(xué)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(xué)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(xué)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(xué)問題變成可計算的數(shù)學(xué)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(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(xué)、數(shù)學(xué)模型、高通量篩選、計算機藥物設(shè)計等多學(xué)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(dǎo)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(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(xué)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(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!
相關(guān)新聞