基于酵母生物转化与酶催化整合策略的3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺及其衍生物生物合成研究

本研究针对传统化学合成MDMA依赖管制前体（如黄樟素/胡椒醛）的问题，创新性地整合酵母生物转化（CtPDC-I479A突变体催化）与体外酶级联反应（ATA-117-Rd11转氨酶/PNMT甲基转移酶），首次实现MDMA及其衍生物的生物合成。该工作为精神神经系统疾病治疗药物的合规化生产提供了新范式，发表于《BioDesign Research》。

　　

论文解读
3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺（MDMA）作为兼具娱乐用途和临床潜力的苯丙胺类物质，其治疗创伤后应激障碍（PTSD）的III期临床试验已取得突破性进展。然而，现行MDMA化学合成严重依赖受管制的胡椒醛或黄樟素前体，且存在手性控制难题。随着"迷幻药复兴"浪潮兴起，开发合规、可持续的生物制造方案成为迫切需求。

研究人员通过整合酵母生物转化与体外酶催化技术，构建了四步生产路径：首先筛选出高效催化苯甲醛衍生物缩合的Candida tropicalis
PDC-I479A突变体（转化率最高达70%）；随后采用工程化ω-转氨酶ATA-117-Rd11实现立体选择性转氨；再利用人源苯乙醇胺N-甲基转移酶（PNMT）完成N-甲基化；最终通过化学还原获得目标产物。关键技术包括：酵母双敲除菌株（pdc1Δ/zwf1Δ
）构建、16种苯甲醛衍生物的底物谱测试、三重MRM质谱检测等。

研究结果
1. CtPDC1接受MDMA前体胡椒醛及其他苯甲醛衍生物
通过比较7种野生型PDC及10个突变体，发现C. tropicalis
PDC-I479A对胡椒醛的转化效率最高（47.5%），其I479A突变显著扩大了底物结合口袋。添加5%乙腈使△zwf1菌株的苯乙酰甲醇（PAC）产量提升2倍。该酶成功转化15/23种测试底物，包括6-氯胡椒醛（25.2%）等关键中间体。

2. ATA-117-Rd11适用于苯丙胺生物合成
在三种测试转氨酶中，(R
)-选择性ATA-117-Rd11对5种PAC衍生物均显示活性，而VfTA-M7和BPTA-M4效率低下。值得注意的是，该酶在酵母体内表达时因热力学平衡限制未能有效催化，凸显体外生物催化的必要性。

3. PNMT催化MDMA中间体N-甲基化
人源PNMT可甲基化nor(pseudo)ephedrine类似物，但对苯并二氧杂环戊烯衍生物的催化效率较低，成为途径限速步骤。对比研究表明，该酶对1-(苯并[d][1,3]二氧杂环戊烯-5-基)-2-(甲氨基)丙烷-1-醇的转化率仅为痕量水平。

4. 化学还原获得MDMA
采用碘/次磷酸还原系统，最终实现纳克级MDMA（m/z
194→163）和6-氯-MDMA（m/z
228→197）的质谱验证，但收率受前步N-甲基化效率制约。

结论与意义
该研究首次证实MDMA生物合成的可行性，其创新性体现在：① 发现CtPDC-I479A对3,4-亚甲二氧基苯甲醛的特异性催化能力；② 建立ω-转氨酶/PNMT的体外级联体系；③ 拓展苯丙胺衍生物结构多样性。尽管PNMT催化效率低下和体内转氨障碍仍是主要瓶颈，但该工作为开发非依赖管制前体的合规化生产奠定基础，对精神神经疾病药物开发具有里程碑意义。未来通过定向进化N-甲基转移酶或挖掘天然高活性酶（如类似RmNMT的苯丙胺特异性酶），有望实现全生物合成突破。