麻黄类生物碱是一类从麻黄属植物中提取的天然化合物，由于具有兴奋和扩张气道的作用，长期以来一直受到制药业的关注。这些生物碱用于治疗哮喘和低血压等疾病。

虽然这些生物碱传统上是从植物中提取的，但人们对合成生物碱的兴趣日益浓厚，因为合成生物碱具有更强的功效，副作用更少。对苯环和 N 基团进行修饰的合成生物碱已显示出更好的药理作用。然而，目前的化学合成方法对环境有挑战性，而且应用范围有限。

为了解决这些局限性，厦门大学袁继峰教授领导的一组研究人员试图开发一种更有效的两步酶法来合成麻黄类生物碱。该团队成功合成了多种麻黄类生物碱，提高了产量，并引入了新的 N 基团修饰。

这种新方法增强了合成麻黄类生物碱的结构多样性，有可能产生具有更广泛药用应用的新型候选药物。他们的研究于 2024 年 9 月 3 日发表在《生物设计研究》上

首先，研究人员开始寻找适合合成过程的酶。他们发现枯草芽孢杆菌的乙酰乳酸合酶 (BsAlsS) 表现出了优越的碳连接能力。

碳化反应涉及芳香醛与丙酮酸的缩合，形成 α-羟基酮，这是生物碱合成中的关键中间体。这种酶在碳化反应中的有效性对于生成一系列苯乙酰甲醇 (PAC) 类 α-羟基酮至关重要。

然后，他们进行了计算机模拟，将 BSAlsS 与大肠杆菌中已充分表征的酶 EcIlvBN 进行比较。这些模拟侧重于寻找酶的底物结合位点和催化残基。

“我们使用苯甲醛 (BAL) 和 4-羟基苯甲醛 (4-HBAL) 测试了 BsAlsS 的活性，同时使用了纯化的酶制剂和全细胞生物催化剂。在确认了初步结果后，我们扩大了测试范围，包括各种取代的芳香醛，”袁教授解释说。

研究团队评估了具有不同取代基(如羟基、甲氧基和卤素基团)的底物，以了解它们转化为 α-羟基酮的效果。通过计算转化率并使用一种名为质谱的科学仪器技术验证产物，评估了这些反应的效率。

此外，他们筛选了几种亚胺还原酶 (IRED)，以测试它们对 α-羟基酮进行还原性 N-烷基胺化(将烷基引入胺)的能力。IRED 包括来自米曲霉的AspRedAm Q240A 、来自 Ensifer adhaerens 的 IR77 A208N和来自白黄链霉菌的 IRG02。通过测试不同的胺伴侣并测量 PAC 转化为二级胺来评估酶活性。

优化了胺当量比以提高转化率，并探索了 IRED 生成各种合成麻黄类生物碱的潜力。此外，他们开发了一种一锅式生物催化系统，将 BsAlsS 和 IRG02 整合在一起，以简化麻黄类生物碱的合成。这种方法涉及在同一容器内依次进行碳连接和还原胺化反应。将该方法的效率与传统的两步工艺进行了比较。

计算机模拟表明，BsAlsS 具有与 EcIlvBN 相似的底物结合位点，表明其具有进行碳配位反应的潜力。实验结果证实，BsAlsS 有效地将苯甲醛和 4-羟基苯甲醛分别转化为 PAC 和 4-羟基 PAC，从而消除了 EcIlvBN 的活性。与纯化的酶制剂相比，BsAlsS 的全细胞生物催化剂表现出相同或更好的催化活性，对苯甲醛的效率略高。

BsAlsS 被证实是一种多功能的碳连接酶，对各种芳香醛(包括羟基、甲氧基和卤素取代的醛)的转化率接近 100%。氟取代的底物比氯或溴取代的底物表现出更高的活性，对位取代的醛通常比邻位取代的醛产生更好的结果。

在测试的 IRED 中，IRG02 在与各种胺类伙伴一起将 PAC 转化为二级胺时表现出优异的活性。优化条件显示炔丙基胺和环丙胺的转化率很高，转化率高达 91%。IR77 A208N也表现出良好的性能，尤其是与氨反应时。

综上所述，我们采用一锅法顺序生物催化法成功合成了转化率合理的麻黄类生物碱。该策略能够高效整合碳配位和还原胺化步骤，尽管直接一锅法同时进行的反应会因副产物的形成而导致产量不理想。

这项研究的结果对制药行业具有重大的前景。袁教授进一步乐观地解释道：“利用 IRED 成功合成新的麻黄类生物碱，为开发更多样化和更有效的药物生产方法开辟了可能性。值得注意的是，这项研究中产生的炔丙基胺修饰生物碱为进一步的化学多样化提供了潜力，这可能导致发现新的治疗化合物。”

展望未来，研究人员计划继续改进他们的方法，并通过酶工程扩大合成生物碱的结构多样性，从而更接近于更高效、更便捷的药物开发。

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