生物催化硫醚底物的不對稱氧化反應(yīng)研究進(jìn)展

卓俊睿，陳永正

(遵義醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，貴州 遵義 563000)

金屬和有機(jī)小分子催化的硫醚的不對稱氧化反應(yīng)得到了長足的發(fā)展，而生物催化硫醚的不對稱氧化由于環(huán)境友好、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)體系較為簡單等優(yōu)點，近年來引起了研究人員的廣泛關(guān)注［1］。生物催化劑的來源主要有自然來源的微生物的篩選、純酶和基因工程菌(Scheme 1)。

Scheme 1

本文綜述了生物催化硫醚底物的不對稱氧化反應(yīng)的研究進(jìn)展，重點介紹了微生物菌株整細(xì)胞、純酶和基因工程菌等催化劑在硫醚底物的不對稱氧化反應(yīng)中的應(yīng)用。

1 微生物催化劑

自然界存在豐富的微生物資源，篩選獲得高活性的氧化酶產(chǎn)生菌株一直是研究者發(fā)現(xiàn)和獲取新酶的重要途徑，人們也從未停止去發(fā)現(xiàn)和挖掘源于自然的新型生物催化劑(表1)。早在上世紀(jì)90 年代，Holland 課題組［2-5］就發(fā)現(xiàn)使用真菌Helminthosporiumspecies NRRL4671和Mortierella isabellina的整細(xì)胞為催化劑開展了一系列工作，實現(xiàn)了通過催化系列硫醚底物合成具有較高對映選擇性的手性亞砜。他們［6］同時也發(fā)現(xiàn)真菌Beau-veria bassianaATCC 7159能選擇性的氧化L-型或者D-型的蛋氨酸成(SSSC或SSRC)的亞砜。后來他們［7］又發(fā)現(xiàn)了Rhodococus erythropolisIGTS8 用于芳香硫醚的不對稱氧化反應(yīng)。French和Gordon等［8］預(yù)測了Rhodococus erythropolisIGTS8 催化硫醚底物結(jié)構(gòu)與活性位點關(guān)系模型。

Kelly 等［9］也發(fā)現(xiàn)Acinetobactersp.NCIMB 9871，Pseudomonassp.9872，Xanthobacter autotrophicusDSM 431和Black yeast NV-2等催化劑也能實現(xiàn)芳香硫醚的不對稱氧化反應(yīng)。后來，Collado課題組［10］發(fā)現(xiàn)了三株真菌，其中Botrytis cinerea顯現(xiàn)出了S選擇性，而Eutypa lata和Trichoderma Viride菌株則具有相反的選擇性，獲得R構(gòu)型的手性亞砜。

近年來，許建和課題組［11］從上海、山東和江蘇等地煤的氣化站采集的土壤中分離獲得了對映選擇性互補(bǔ)的微生物菌種庫，其中單加氧酶產(chǎn)生菌株Rhodococcussp.Strain ECU0066能有效的催化系列硫醚底物的不對稱氧化反應(yīng)，獲得14% ～86%的產(chǎn)率和38%～99%ee值的手性亞砜類化合物，他們并研究了該反應(yīng)的機(jī)理，該反應(yīng)是通過氧化-氧化拆分二步來實現(xiàn)，底物濃度能達(dá)到10 mmol·L-1。為了進(jìn)一步提高反應(yīng)的催化效率，他們［12］建立了水-異辛烷雙相反應(yīng)體系，在2.4 L的生物反應(yīng)器中可以實現(xiàn)底物濃度為150 mmol·L-1的苯甲硫醚的生物氧化反應(yīng)，產(chǎn)率為49%，對映選擇性達(dá)到99%。采用水-正辛烷兩相反應(yīng)體系，以Rhodococcussp.CCZU10-1 為催化劑，也可以獲得S構(gòu)型的苯甲亞砜，底物濃度可達(dá)到55.3 mmol·L-1，產(chǎn)物的ee值達(dá)到 99%［13］。由于他們發(fā)現(xiàn)單加氧酶產(chǎn)生菌株Rhodococcussp.Strain ECU0066催化苯甲硫醚的反應(yīng)是通過氧化-氧化拆分來進(jìn)行的，他們［14］探索了采用消旋化的亞砜為底物，研究其不對稱氧化拆分反應(yīng)，在較短的反應(yīng)時間內(nèi)仍然可以催化消旋化亞砜底物的不對稱氧化拆分，獲得較高的對映選擇性。

表1 主要微生物來源催化劑Table 1 The main sources of microorganisms biocatalysts

與此同時，Elkin課題組［15］發(fā)現(xiàn)了一些能完全轉(zhuǎn)化硫醚為手性亞砜的生物酶催化劑，Gordonia terraeIEGM136和RhodococcusIEGM66能有效的催化系列芳香硫醚為相應(yīng)的高光學(xué)活性的亞砜，其ee值分別達(dá)到89%和95%。本課題組［16］也從河床的淤泥中發(fā)現(xiàn)一株假單胞菌Pseudomonas monteiliiCCTCC M2013683，能有效催化苯甲硫醚的不對稱氧化反應(yīng)，底物濃度在30 mmol·L-1的情況下，仍然可以獲得99%的產(chǎn)率和99%的ee值，但是當(dāng)芳香環(huán)上具有不同的取代基時，反應(yīng)的活性和對映選擇性均受較大影響。

對于芳香硫醚底物的直接氧化，可以直接將一些手性亞砜類藥物的前體硫醚作為底物，通過生物催化氧化，實現(xiàn)一步氧化直接合成目標(biāo)亞砜藥物(Chart 1)。比如 Nagasawa等［17］通過篩選獲得菌株Cunninghamella echinulataMK40，其整細(xì)胞可以直接催化雷貝拉唑前體硫醚的氧化，可獲得ee值達(dá)到99%的S構(gòu)型的雷貝拉唑。Kyslík等［18］篩選獲得菌株Lysinibacillussp.B71，幾乎可以得到對映純的埃索美拉唑。

Chart 1

2 純酶催化劑

生物催化硫醚不對稱氧化反應(yīng)所使用的純酶催化劑主要有超氧化物酶、單加氧酶及其他酶等。1995年，Holland小組從AcinetobacterNCIB9871菌株中發(fā)現(xiàn)了依賴于NADPH的環(huán)己酮單加氧酶催化系列芳香硫醚的不對稱氧化反應(yīng)，硫醚的底物結(jié)構(gòu)對催化活性和對映選擇性均具有較大影響，比如烷基側(cè)鏈連接Cl，CN，CH=CH2和OH等基團(tuán)時，催化效率很低。他們后來構(gòu)建了葡萄糖脫氫酶和環(huán)己酮單加氧酶的循環(huán)體系，促進(jìn)輔酶循環(huán)再生，轉(zhuǎn)化率得到提升，同時副產(chǎn)物砜減少［19］。Baeyer-Villiger單加氧酶可以催化硫醚、二噻烷和消旋化亞砜的對映選擇性氧化，苯乙酮單加氧酶和4-羥基苯乙酮單加氧酶可以催化芳香硫醚的氧化，后來4-羥基苯乙酮單加氧酶的變種顯現(xiàn)出了更廣的底物范圍［20］。Gotor等［21］采用苯乙酮單加氧酶和4-羥基苯乙酮單加氧酶研究了雜環(huán)類硫醚的不對稱氧化反應(yīng)，大多數(shù)底物均獲得了25% ～99%的ee值。

超氧化物酶是一類重要氧化還原酶，在生物氧化反應(yīng)中有較多的應(yīng)用，比如可以催化硫醚、烯烴或者 C -H 鍵的氧化反應(yīng)［22］。Hager等［23］首次將氯過氧化物酶從真菌Caldariomycesfumago中分離出來，Allenmark等人使用氯超氧化物酶催化系列芳香環(huán)狀硫醚的氧化，獲得9% ～99%的產(chǎn)率和3% ～99%ee值。Lutz等［24］通過采用電化學(xué)原位產(chǎn)生過氧化氫代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直接加入氧化劑的方式，采用氯過氧化物酶催化合成R構(gòu)型的手性亞砜。

Scheme 2

Jiang等［25］使用氯過氧化物酶催化合成了手性藥物莫達(dá)非尼(Scheme 2)，加入［ENIM］［Br］離子液體和季銨鹽至反應(yīng)體系中可提高產(chǎn)率。Wever等［26］在用來源于Ascophyllum nodosum的釩溴超氧化物酶催化芳香硫醚的氧化時發(fā)現(xiàn)芳香環(huán)上連有吸電子基團(tuán)的硫醚作為反應(yīng)底物時，反應(yīng)活性急劇下降，而當(dāng)吸電子基團(tuán)為NO2或CN時，反應(yīng)甚至不能發(fā)生。此外，該酶還可以催化非芳香的環(huán)狀硫醚的不對稱氧化拆分，獲得相應(yīng)的亞砜。

3 基因工程菌催化劑

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展為高效基因工程菌催化劑的構(gòu)建提供了可能，同時還可以通過改造酶和進(jìn)化酶獲得高活性和選擇性的催化劑。許建和課題組［27］通過P450單加氧酶和葡萄糖脫氫酶的共表達(dá)，構(gòu)建的重組工程菌能有效實現(xiàn)對氯苯甲硫醚的氧化，底物濃度可達(dá)2 mmol·L-1～5 mmol·L-1。陳振明等［28］將來源于Acinetobater calcoaceticus的環(huán)己酮單加氧酶基因與來源于Candida boidinii的醇脫氫酶基因在大腸桿菌中共表達(dá)，在底物濃度達(dá)20 mmol·L-1的情況下，產(chǎn)物ee值達(dá)99%。Bornscheuer等［29］從PseudomonasputidaJD1中發(fā)現(xiàn)4-羥基苯乙酮單加氧酶也能有效催化苯甲硫醚的不對稱氧化。源于Stenotrophomonas maltophilia的黃素單加氧酶可以采用NADPH或者NADH為輔酶的單加氧酶，Grogan課題組［30］突變單加氧酶 sMFO時，將52-位的苯丙胺酸替換為纈氨酸時，得到Phe52Val突變體，其催化系列硫醚合成7%～41%ee的S構(gòu)型的亞砜產(chǎn)物，而采用未突變的單加氧酶sMFO催化反應(yīng)時，獲得19% ～80%ee且構(gòu)型為R的亞砜。

Fishman等［31］以甲苯單加氧酶為研究目標(biāo)，通過突變V106的纈氨酸和I100的亮氨酸，其反應(yīng)速率和對映選擇性均得到了較大提高。后來他們又通過飽和突變的方法對硝基苯雙加氧酶207位殘基進(jìn)行突變，獲得突變體V207I和V207A，在催化苯甲硫醚的反應(yīng)時顯示出了不同的對映選擇性，并認(rèn)為硫醚底物與對硝基苯雙加氧酶之間的活性位點可能與疏水相互作用和空間位阻有關(guān)，從而相應(yīng)的影響活性與對映選擇性。Li課題組［32］采用P450pyrI83H與葡萄糖脫氫酶進(jìn)行共表達(dá)，在磷酸緩沖溶液和離子液體［P6，6，614］［Ntf2］的雙相反應(yīng)體系中，離子液體對底物和酶顯示出了較好的溶解性和生物相容性，在催化反應(yīng)的過程中，底物濃度和對映選擇性均得到了不同程度提高。

4 結(jié)論與展望

生物催化硫醚的不對稱氧化反應(yīng)近年來取得了較大的突破和進(jìn)展，但是同生物催化還原和水解等反應(yīng)相比較，硫醚底物濃度低仍然是研究過程中最關(guān)鍵的瓶頸。與此同時，如何抑制過度氧化產(chǎn)物砜的形成也是未來研究的重點，其核心是要發(fā)現(xiàn)和改造高活性和高對映選擇性的催化劑。野生菌株的篩選是獲得具有高底物濃度和高選擇性的生物催化劑的常規(guī)方法之一。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如何通過基因組數(shù)據(jù)庫挖掘高活性和高選擇性的硫醚氧化酶基因?qū)⒊蔀檠芯康闹攸c，并結(jié)合定向進(jìn)化和半理性設(shè)計等人工改造的方式，去尋找和發(fā)現(xiàn)高活性的硫醚氧化酶。此外，構(gòu)建輔酶循環(huán)再生系統(tǒng)、酶的固定化、反應(yīng)介質(zhì)體系以及生物酶反應(yīng)器的設(shè)計和綜合考慮，對實現(xiàn)硫醚底物的高效不對稱氧化反應(yīng)的潛在的過程化和工業(yè)化的研究均具有重要意義。

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