生物催化技术在化学制药中的应用探讨

＊闫雨迪

（黑龙江中医药大学药学院 黑龙江 150040）

在化学制药中，如何在保障药物安全性与疗效的基础上，适当减少药物的研发时间、降低研发成本是目前最急需解决的问题。生物催化技术在化学制药领域的应用，是一种工艺上的创新，也是促进化学制药行业发展的重中之重。因此，探究生物催化技术在化学治疗中的实践应用，以促进化学制药的现代化发展是极其必要的。

1.生物催化技术简介

（1）生物催化技术。在现代工业的发展中，生物酶催化技术极其重要。该技术是一门跨领域、跨学科技术，与化学和生物领域息息相关，将生物催化技术应用于化学制药工程中，可通过酶或微生物促进药物的生物转化。在化学反应过程中，生物催化剂可以实现分子重组，能在一次反应中生成多类产物，以此为化合库提供更多种类，有利于新药物的研发。

目前，微生物在化学治疗领域中的应用范围较广，微生物的生长速度较快，微生物种类及其内部含有的酶类较为丰富，对药物的合成有着较强的催化作用，且微生物的适应能力极强，化学反应所需的条件不高。在一些难以发生反应的治疗环节，使用微生物作为生物催化剂有着不错的效果。另外，微生物的结构相对单一，将微生物用于催化，既可以选择固定化细胞，又可以使用细胞器[1]。

先导化合物在生物催化的作用下，可以表现出以下几点特征：第一，可以反应的产物范围较大；第二，在整个化学反应的过程中，无需进行脱保护和基团保护，操作相对简便，只需一步便可完成反应；第三，可以满足生产定向立体选择和区域选择的需求；第四，生物催化的反应条件相对温和，可以稳定某些较为复杂或不稳定的分子结构；第五，在均一或温和的反应条件下，可以使反应重现或实现自动化反应；第六，酶的固定化优势极高，所以生产时可循环使用催化剂[2]。

（2）现阶段生物催化技术的主要研究与进展。生物药学以生物学、微生物学、医学和生物化学为主要技术手段，将其综合应用后，可以通过一系列的研究，制造出可用于疾病预防、诊断或治疗的药物制品。在生物制药中，使用到的各项原材料都由天然的生物材料加工而成，主要为微生物、海洋生物或各类动植物，对其进行一系列的物理处理、化学处理或生物加工处理后，便可以生产出具有良好疗效的生物药物。而生物催化技术是基于生物学发展而来的一种新技术手段。该项技术在研发初期，生物学家、科学家们发现有机生物体内含有生物酶，生物酶可用于催化各项物质间发生反应，但酶自身却不会发生改变，且催化条件相对简单，并不复杂。药物生产时，主要是利用控制或优化化学反应的方式，通过分子重构等一系列的方法生产出新药物，在传统的化学制药过程中，反应条件相对苛刻，也会消耗部分单一性资源，而生物催化技术便可很好地解决这一点。随着目前蛋白质工程技术的持续发展，生物催化的底物选择范围也持续扩大，应用范围愈发广泛，已逐渐开始在精细化学和化学制药等领域中大显身手。

如今，在制药中最为广泛的技术为合成技术，该技术无需使用高压氧化或金属催化剂，也不会对周边环境造成破坏，生产流程较为简便。采用了生物催化技术后，便可以利用生物酶，提升反应速率，还能够有效降低人力物力成本，包括但不限于设备磨损、人力手工操作等。生物催化技术在我国化学制药领域中的应用，包括但不限于治疗冠心病药物研发、抗肿瘤药物研发、免疫性药物研发、基因重组多肽治疗药物研发等，并取得了极佳的效果[3]。如治疗冠心病的阿托伐他汀、使用γ-干扰素基因的肿瘤基因疗法、治疗因免疫力低下或缺陷问题引起的糖尿病的西他列汀游离碱等。

2.生物催化技术特点分析

（1）酶的专一性。在催化时，酶有强烈的专一性特征。也就是说，一种酶只能对某种特定的底物进行催化反应，而一种底物可受到多种不同酶的催化作用，这在某种层面上意味着生物催化技术具有底物选择的独特性特征。

（2）酶的反应速度快。在整个化学反应中，反应物质需要吸收到相应的能量才能达到活化状态并起作用，而应用催化剂可以在一定程度上降低反应的活化能，有效加速反应速度。比传统的无机催化剂酶对反应的活化降低作用更加显著，催化效率更高，可进一步提升反应速度。经研究表明，酶的催化效率可达无机催化剂的107 倍至1013 倍。

（3）设备要求较低。酶来自于有机物，在温和条件下具备更高的活性，对环境和反应条件的要求较低。常温环境、中性环境或水环境中均可完成反应。

（4）可被充分降解。若无意外情况，生物催化技术几乎不会对环境有影响。整个催化过程污染极小或是没有污染，能源损耗率较低，是一种对环境极其友好的催化方式，既能有效提高生产效率，又能够显著降低生产成本，可给企业创造更高的经济效益、社会效益，也能满足相应的环保需求，可促进现代化学制药行业的稳定发展。

3.生物催化技术在化学制药中的应用

(1)酶催化技术的应用

①裂解酶在化学制药中的应用。裂解酶催化小分子时，具有较强的选择性，因此在化学制药领域得到了广泛应用，如在消除或加成碳碳键、碳氮键、碳氧键等不饱和键，醛缩酶、转羟乙醛酶和氧腈酶等形成C-C 方面有着显著作用。在实践应用中，使用醛缩酶催化，在醛上加有稳定带负电的碳，能延长醛的2～3个碳单元，这与化学反应中的醛缩反应十分类似。以多巴胺为例，多巴胺是肾上腺素的前体，是哺乳动物中枢神经系统的主要神经传递质，对低血压和急性循环系统不全的治疗效果较佳。在催化反应中，设置3,4-二羟基-L-苯丙氨酸为底物，以脱羟酶为催化剂，便可以合成多巴胺。偶姻反应在化学制药方面的典型案例，是使用裂解酶合成L-黄麻素的前体，在该反应中，使用的酶是丙酮酸脱羧酶，另外还需要额外加入焦磷酸硫胺素作为辅助因子。

②氧化酶在化学制药中的应用。生物氧化反应在化学制药中的应用也相对常见，奠定了氧化酶在化学制药中的重要作用。例如丙肝病毒蛋白酶抑制剂、质子泵抑制剂埃索美拉唑等，均使用了氧化酶作为主要催化剂。植物雌激素松脂醇可用于治疗多种疾病、保护机体，也在化学制药领域占据一席之地。通过青霉菌的香草醇氧化酶和细菌漆酶，再加入丁子香酚，便能够直接合成松脂醇，该反应的成本较低，在适合的条件下，还能够发展成1.6 g/L 的半制备规模。

③还原酶在化学制药中的应用。生物酶催化剂在还原合成手性药物中间体这一环节有重要作用，在羰基官能团区域选择性与立体选择性等方面的效果极佳。通常情况下，有新的微生物菌株从环境中分离后，羰基还原活性较高，同时也具备各种具有优势的生化特征，如热稳定性和有机溶剂的耐受性等。比如叔丁基6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸酯是立普妥的重要手性前体，制作时便需使用还原酶，即通过6- 氰基-(5R)-羟基-3-氧代己酸叔丁酯以还原酶还原的方式形成。而从乳酸克鲁维酵母中，也能提取出羰基还原酶（KlAKR），可用于不对称还原反应。这时，可采用半理性的设计法，用以提升酶的活性，在两轮同源建模和分子对接位点饱和突变筛选后，便可获得相应的突变体，此类突变体的催化效率远高于原本的野生型羰基还原酶[4]。

④转移酶在化学制药中的应用。特点基团，如底物分子糖基、氨基、甲基、醛基和羧基等，更适合使用转移酶催化。将这类特点基团向其他的底物分子转移，供体可作为辅助因子携带基团完成转移。所以在使用转移酶时，还需同时使用辅酶。目前，在化学制药中常见的转移酶是转氨酶，辅酶通常以磷酸砒哆醛为主，磷酸砒哆醛是维生素B6的衍生物，除了在转氨基反应中有着较高的使用性能以外，在脱羟反应和消旋反应中的作用也十分重要。在反应时会优先生成希夫碱，随后可在转移酶的催化特性下完成反应。转氨酶的反应速度较快，主要是因为其底物特异性较低，通常用于大规模合成非天然的氨基酸。例如，常见的药物氨基酸L-丝氨酸，可以利用丝氨酸羟甲基转移酶催化甲醛和甘氨酸来合成。本次生物催化反应需要使用到的辅助因子有磷酸吡哆醛和四氢叶酸，另外，反应液中的L-丝氨酸浓度要控制在为0.2 mmol/L。

(2)微生物催化技术的应用

目前，微生物催化技术在化学制药中的应用，是以微生物的反应过程为基础，依靠微生物体内反应器的生长、繁殖与代谢过程合成一些产物，随后再借分离纯化技术完成提取与精制，便可生产出最优的化学药物，这依赖于微生物在生命过程中产生的，可以以极低浓度抑制或影响其他生物机能的低分子量代谢物。微生物催化技术在化学制药中的主要作用对象包括抗菌类药物、抗病毒类药物、抗肿瘤类药物、免疫调节剂酶抑制剂与除草剂等，主要生物来源有青霉素、放线菌等。微生物制药技术的主要特征在于，要使用某个微生物的纯种状态，并设置培养基，供它生长，培养基的成分是不允许随意更改的，若有其他菌种进入，则视为杂菌。例如金色链霉菌在含氯培养基中可形成金霉素，若在无氯化物的培养基中可生成四环素。

4.生物催化技术在化学制药中的实用案例

（1）生产阿托伐他汀。阿托伐他汀是生物催化技术在化学制药中常见的一种物质。具体来说，阿托伐他汀可以在一定程度上抑制HMG-CoA 还原酶的活动，达到降低胆固醇合成数量的作用，可用作降血脂药剂。6-氰-3、5-二羧基乙酸叔丁酯这两种生物催化剂是生产阿托伐他汀时的必备催化剂，同时，还需要使用中间体。中间体生产时也需使用到生物催化技术，可直接通过生物催化优化，在分子重组的基础上，完成具有较强稳定性、活性及更大选择性的优化酶生成，随后便可即时开始化学反应。在生产时，首先开始反应的是氰化反应。在两种优化酶的催化作用下，氯酮会进行反应，并生成不掺杂杂质的氯乙醇。随后在相对温和的条件下，便能开始第二个反应。这一反应的核心目的是得到氰醇，所以在这一步需要将第一个反应生成的氯乙醇通过相应的转化和反应变为氰醇。之后，再使用此前得到的第三种优化酶开展生物催化氯化反应，便可得到阿托伐他汀。整个催化过程中，进化酶的应用大幅度提高了还原反应的容积率，可以进一步提高生产效益及获得的经济效益，且整个催化过程安全系数较高，对环境无污染。

（2）生产西他列汀游离碱。西他列汀是一类2型糖尿病治疗药物。在产生西他列汀游离碱时，需要使用到酶的催化反应。此前，德国Merck 与美国Codexis 这两家公司，首先发现了R 构型选择性转氨酶、构型选择性转氨酶这两种酶与西他列汀游离碱到分子结构十分相似，考虑到R 构型选择性转氨酶的部分分子质量较小，活性较高，还有针对甲基酮的抑制作用，所以，Codexis 公司首先开始了直接性的化学反应，构建了催化剂加氢路线，并尝试改造R 构型选择性转氨酶，生成了S 构型西他列汀酮催化剂。这种催化剂自身不具备活性，整个反应过程操作简便，仅需酶的催化反应，无需使用复杂设备，包括额外的金属添加剂或高压氢化等，便可以提高分子的反应能力，不仅节省了反应时间，还有效降低了生产成本。而直接性化学反应也减少了反应过程中生成的各种废弃物，极大程度上提高了生产效率[5]。

（3）生物催化技术在普瑞巴林生产中的应用。美国一家公司研究蛋白质工程改造技术多年，最终，达到了最佳的蛋白质工程效果，并成功使用水解酶反应生产了普瑞巴林。生物催化技术在普瑞巴林生产中的应用，由脂肪酶对甲基、乙酸和氰基等钾盐进行了水解反应的催化。同时，也能够作为化学合成原料，完成普瑞巴林的制作。在该反应中，各项原料的回收率高达40%，ee 值达到了99.5%，成效极佳。

5.结语

生物催化技术具有较高的选择性及环境友好性，在化学制药中有着极高的优势，能够使化学制药工程不再受传统的工艺限制，相对温和的反应条件也使化学制药反应过程变得更加简易。同时，生物酶可在自然条件下降解，整个化学制药流程也不会对环境造成污染或污染极小，将其应用于化学制药中，可促进化学制药领域的发展，推动我国化学制药水平的全面升级。