基于半理性设计的亚胺还原酶工程化改造及其在(S)-去甲烟碱高效合成中的应用

针对手性胺类化合物传统合成方法环境污染大、成本高的问题，中国科学院研究人员通过半理性设计对Nocardiopsis alba来源的亚胺还原酶NaIRED进行改造，获得双突变体A126N/M181L，实现肌氨酸胺至(S)-去甲烟碱的99.9%转化率与ee值，结合辅酶再生系统优化达到50 g/L规模生产，为神经保护药物绿色合成提供新策略。

　　

(S)-去甲烟碱作为尼古丁代谢产物，具有增强认知功能、调节神经可塑性等独特药理活性，在神经退行性疾病治疗和烟草戒断领域展现重要价值。然而现有提取法收率不足1-5%，化学合成又面临手性催化剂昂贵、环境污染严重等瓶颈。传统金属催化工艺不仅产生大量有机废料，产物光学纯度也难以满足医药级要求。这一困境促使科学家将目光转向生物催化领域——亚胺还原酶（Imine Reductase, IRED）因其可直接催化C=N键不对称还原的特性，成为绿色合成手性胺的理想工具。然而天然酶存在底物特异性局限、辅酶依赖性强等缺陷，严重制约工业化应用。

针对这一挑战，广东省重点研发计划支持的研究团队创新性地采用计算机辅助半理性设计策略，对Nocardiopsis alba来源的NaIRED进行系统性改造。通过构建突变文库并结合葡萄糖脱氢酶（GDH）辅酶再生系统，成功开发出高效生物催化平台。该成果发表于《Bioorganic Chemistry》，实现了肌氨酸胺至(S)-去甲烟碱转化过程的双重突破：不仅达到近乎完美的立体选择性（99.9% ee），更在50 g/L工业级浓度下完成完全转化，标志着生物催化技术向规模化生产迈出关键一步。

研究团队主要运用三大技术手段：1) 基于Rosetta软件的蛋白质半理性设计，对活性口袋关键残基进行定向进化；2) 分子动力学模拟分析酶构象动态变化；3) 建立GDH-NADPH辅酶循环系统实现辅酶高效再生。通过多尺度计算机模拟与实验验证相结合，揭示突变体催化效率提升的结构基础。

【Screening of imine reductase】
通过比较不同酶家族催化特性，确认IRED在立体选择性方面的独特优势。针对肌氨酸胺底物筛选获得初始活性菌株，为后续工程化改造奠定基础。

【Plasmid construction and site-directed mutagenesis】
采用Phanta Max高保真聚合酶构建NaIRED突变体文库，重点改造活性口袋周围A126和M181位点。结构分析表明这些残基参与形成关键的氢键网络，直接影响底物定向与质子传递。

【Conclusion】
双突变体A126N/M181L通过重构氢键网络显著提升催化效率，分子动力学显示其活性中心柔性增加是活性增强的关键。优化后的生物工艺实现50 g/L底物完全转化，单批次产量达克级规模。

该研究突破性地解决了生物催化工业化应用的核心难题：1) 通过理性设计打破天然酶活性限制，2) 创新辅酶动态调控策略降低生产成本，3) 建立可放大的连续生产工艺。Zhen Dua等研究者不仅提供了一种医药中间体的绿色合成方案，更为氧化还原酶工程提供了普适性改造范式。特别值得注意的是，所得(S)-去甲烟碱产品可直接用于神经系统疾病药物开发，其保护神经突触可塑性的特性为阿尔茨海默病等退行性疾病治疗带来新希望。这项成果标志着我国在生物催化领域已从跟跑转向领跑，为"双碳"目标下的医药产业升级提供关键技术支撑。