生物催化级联反应：从生物基L-苯丙氨酸到高价值的手性化合物

利用绿色、可持续发展的手段从纤维素或者半纤维素来源的糖合成高价值的精细手性化合物，一般可分为两种策略。其一，应用代谢工程及合成生物学的手段，通过生物质微生物发酵生产生物基的大宗化合物，再通过生物催化剂的催化将大宗化合物转化为高价值的手性化合物。其二，将手性化合物的合成与微生物的天然代谢途径相偶联(图1)。

图1：从生物质出发的高价值手性化合物合成策略

最近，新加坡国立大学化学与生物分子学院的Li Zhi课题组发表在德国应化的文章（Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,11647–1165），设计构建了从生物基的大宗化合物L-苯丙氨酸(S)-1出发合成多种重要的手性化合物：(S)-4、(R)-5、(S)-5、(S)-7、(S)-9 (图2)。结果证明这个涉及到3-8步、10个酶的级联反应是一条高效、绿色的合成路线。

图2. L-苯丙氨酸出发合成多种中药手性化合物

多酶级联反应的难点是复杂的关键限速步骤的反应调控。作者巧妙地设计了将多个重组质粒（最多包含了四个重组质粒）同时导入到大肠杆菌E. coli并让其过量表达。因此，每一步反应皆是只需通过一种重组菌的静息细胞催化，大大降低了实验的操作繁琐性。通过优化，建立了一个KP buffer：油酸乙酯的两相反应体系。应用静息细胞的“一锅煮”反应，在24h内达到84–96%的转化率、96-99%的ee值。反应放大至100 ml KP buffer/10 ml EO (10:1)的制备级反应，反应效果仍然很好，获得产品376–1082 mg，分离得率62–78%，ee值为 96–99%。

作者设计的新路线，从生物质出发，是一种绿色、环境友好的合成路线。并且可以作为其他天然氨基酸经非天然转化为精细化合物的多酶催化级联反应构建的 模型。已经建立好的多酶级联路线可以和微生物自身的初级代谢途径相偶联，为从葡萄糖出发直接合成精细化合物提供了新思路，这也是作者接下来可能研究的方向。