手性胺是许多药物、农药、生物活性化合物和材料的普遍组成部分，因此胺的不对称合成至关重要。其中还原胺化通过在还原剂存在下直接将前手性酮或醛与胺偶联而起到至关重要的作用。不对称还原胺化的传统化学方法通常需要昂贵的过渡金属络合物或手性配体，并伴随副反应，如酮/醛的还原或过烷基化，使其在工业过程中不可持续。鉴于在选择性、可持续性和可进化性方面的明显优势，还原胺化酶家族如胺脱氢酶和亚胺还原酶（IRED），是学术界和工业界的研究前沿。虽然IRED是一种极具吸引力的还原性氨基酶，但它们的底物范围仍然很窄，理性的工程化设计也很少见。有鉴于此，近期中科院微生物研究所高书山团队与其合作者对实验室保存的86种IREDs催化N-Boc-3-哌啶酮和苄胺进行筛选，选择R-构型选择性最好的IR-G36作为接下来工程化的起始酶。
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
随后，在该项研究中解析了IR-G36与辅因子NADP+结合的蛋白晶体结构，将反应中间产物与晶体结构对接，获得了IR-G36与NADP+以及中间体相互作用的氨基酸残基。
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
在获得以上信息后，研究者以氢键重组和空腔扩展为重点，设计了一种结合理性空腔设计、组合活性中心饱和试验（CAST）和热稳定性工程的策略，将弱活性IR-G36转化为具有优异性能的突变体M5，用于合成（R）-3-苄基氨基-1-Boc-哌啶。
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
相较于IR-G36，M5的催化效率提高4193倍，Tm提高16.2℃，e.e.值从78%（R）显著增加到>99%（R）。
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
此外，M5展示了多种氮杂环烷基胺合成的广泛底物范围，并且在相关条件下以克级规模制备证明了该反应在工业中的应用前景。
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
参考文献：Tuning an Imine Reductase for the Asymmetric Synthesis of Azacycloalkylamines by Concise Structure-Guided Engineering
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202201908
原文作者：Jun Zhang+, Daohong Liao+, Rongchang Chen+, Fangfang Zhu, Yaqing Ma, Lei Gao,
Ge Qu, Chengsen Cui, Zhoutong Sun,* Xiaoguang Lei,*and Shu-Shan Gao*
