[01447936]新型稀缺酶资源研发体系创建及其在医药领域应用

医药中间体酶法绿色合成工艺对解决严重的化学合成环境污染问题、降低成本及能耗、实现医药产业转型升级和可持续发展具有重要意义。另外，酶在癌症、糖尿病、药物成瘾等重大疾病诊治具有重要价值。但酶存在来源局限、催化活性低和稳定性差等具有挑战性的难题。项目组在国家自然科学基金及省市科研基金支持下，聚焦上述难题经过十多年研究取得系列创新成果如下。 1.创新集成DNA-shuffling和宏基因组技术,创建了稀缺酶资源研发体系，构建了基于极端环境来源微生物样本的库容庞大、生物多样性丰富的酶库，为研发新型工业用酶和诊疗性酶制剂提供有力支撑。首次将宏基因组丰富的基因资源与酶分子改造的有力工具DNA-shuffling进行创新性集成，构建了总库容为4×10¹⁰bp的宏基因组文库。构建了新型酶库，包含酯酶、脂肪酶、醛缩酶、烯还原酶、糖苷酶、D-乳酸脱氢酶、酮还原酶及葡萄糖氧化酶等450多种新酶。 2.创建了基于结构生物学和计算化学的酶工程迭代优化方法，设计并获得高活性酯酶和底物专一性强的脱氢酶突变体；创建了三维固酶限域空间、超低温微波辅助和多酶微胶囊等酶固定化新技术。创新提出物理嵌套与化学交联结合的酶固定化新策略，创新采用纳米金属颗粒配合多孔膜结构为载体配位法固定酶，创造了三维固酶限域空间。创建超低温微波辅助及二元固定法固定化多酶微胶囊体系，在载体内构建“代谢区室”，并阐明“代谢槽”效应原理。 3.基于新型酶库和酶改造技术研发新型酶制剂，创建了若干药物及中间体的酶法绿色工艺及示范生产线，应用于癌症、药物成瘾、糖尿病等重大疾病诊治。（1）新型酯酶用于天然β-胡萝卜素和番茄红素等绿色生产工艺。（2）基于脂肪酶的“酶反应-结晶”工艺用于叶黄素的绿色生产。上述技术降低能耗和生产成本60%、降低有机溶剂单耗50%以上、降低反应废水量90%。技术及产品质量优于国际巨头DSM及BASF公司，标准被美国药典及国家标准等收录。（3）醛缩酶应用于他汀类药物的绿色酶法制备工艺，原料投入减少80%，有机溶剂减少70%,反应步骤从7步减少为4步。（4）榄香烯脂质体是团队研发成功治疗肺癌等抗癌新药，应用糖苷酶制备榄香烯糖苷等衍生物，对脑胶质瘤抑杀活性提高三倍以上。（5）研发了第一个长效可卡因水解酶，催化效率髙、半衰期长，用于成瘾治疗。首次发现并改造可卡因有毒代谢物苯甲酰芽子碱的水解酶，用于可卡因中毒治疗。（6）创建了新型三维固酶限域空间葡萄糖氧化酶血糖传感器，为糖尿病人连续血糖检测和长期在体监护提供新技术。 上述成果获授权发明专利17项；发表SCI论文56篇，其中JCR—区9篇、二区20篇，包括PNAS、Nat Commun、Nucleic Acids Research等期刊，总影响因子大于220,他引1000多次，制定行业标准9项。成果应用后近五年新增销售额64亿、利润3亿、纳税超5亿元。该成果2018年获教育部科技进步一等奖。