工程化苏氨酸醛缩酶实现苄胺α位亲核官能化

手性胺类化合物是现代药物与农药设计的关键骨架，近四成的已上市药物都含有这一结构单元。然而，现有合成方法大多侧重于手性还原策略，虽然在对映选择性方面表现优异，却往往不能在反应中引入新的结构复杂度，限制了其在快速构建药物分子多样性方面的应用。因此，如何在保持高选择性的基础上，通过碳–碳键构建策略实现胺类化合物的高效合成，成为当前合成化学的重大挑战之一。

生物催化作为绿色合成的前沿力量，其在手性胺合成中的表现尤为亮眼。尤其是依赖吡哆醛-5-磷酸（PLP）辅酶的苏氨酸醛缩酶（L-threonine aldolase, LTA），能够通过C–C键的构建一步生成非天然手性α-氨基醇，在对映体控制方面几近完美。然而，其活性受限于氨基酸类小分子底物（如甘氨酸、丝氨酸等），这一“底物壁垒”严重限制了其合成应用空间。尽管近年来已有以生物模拟催化剂突破这一局限的尝试，但其普适性和催化效率仍远不及天然酶系统。为突破上述困境，本研究尝试从酶的分子识别机制出发，对苏氨酸醛缩酶进行工程化改造，以打破其“氨基酸依赖性”，拓展其对苄胺类非天然底物的适应性，从而实现复杂1,2-氨基醇的对映选择性合成。

图片来源：JACS

本研究通过对苄胺类底物的α位亲核官能化反应，构建了具有复杂结构和高光学纯度的1,2-氨基醇。研究团队以来自极端嗜热菌Thermatoga maritima的LTA（TmLTA）为母体，通过结构指导的定点突变和多轮定向进化，构建了多个突变体。优化过程以高对映选择性为前提，逐步提升酶对2-甲基吡啶胺类底物的转化效率。通过突变N308E、Y87A、R122G和P121T，构建出最终的高性能酶变体TmLTA^EAGT，其在低酶负载下即可实现83%产率及>99:1的对映体与非对映体选择性。

图片来源：JACS

此外，研究团队通过紫外光谱（UV-vis）实验证实突变体能有效促进吡啶类底物形成亲核醌亚胺中间体，进而提高C–C键构建效率。晶体结构解析揭示了活性位点关键残基R316的构象变化与底物适应性的关系，进一步推动底物范围从吡啶类扩展至苄胺、咪唑、苯并咪唑等一系列杂环与苯环衍生胺。研究还将关键突变位点转移至结构相似但序列差异较大的PLP酶UstD^2.0中，初步验证了其广泛适用性。

图片来源：JACS

本项研究不仅打破了苏氨酸醛缩酶长期以来对“天然氨基酸”底物的依赖，更首次在分子水平实现对非天然苄胺底物的精准识别与催化转化，为手性胺类化合物的生物合成提供了全新路径。在现有合成方法往往依赖多步保护/去保护策略和昂贵催化剂的背景下，该方法展现出卓越的底物兼容性与对映体选择性，并具备绿色环保、操作简便等优势，极具工业转化潜力。

尤其值得一提的是，该方法通过调控酶活性位点的立体构象，实现了对具有生物活性的苄胺、吡啶胺、吡咯啉、咪唑等多种底物的高效转化，生成的1,2-氨基醇可进一步转化为多种药物关键中间体结构，如手性环氧胺、噁唑啉等，极大拓宽了天然酶在复杂分子合成中的应用边界。此外，研究还表明关键突变具有可迁移性，为PLP酶家族功能拓展提供了结构设计参考，标志着“从专一性催化向广谱性通用催化”的重要跃进。