立体选择性羰基还原酶及其在手性醇合成中的应用
张晓健, 刘倩, 柳志强, 郑裕国
化工进展
2021, 40 ( 3):
1142-1160.
DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2124
手性醇是重要的医药中间体与精细化工品，立体选择性羰基还原酶催化制备手性醇具有重要的研究与应用价值，受到国内外科学家和工程师的高度关注。本文主要围绕羰基还原酶的发现与分类、催化羰基还原反应的活性与立体选择性机制、酶的筛选挖掘与分子改造技术、辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）的再生方法、羰基还原酶催化合成手性醇医药中间体与精细化学品技术开发与应用等方面展开综述。重点阐述了羰基还原酶催化制备降血脂、抗细菌或病毒感染、抗肿瘤、抗抑郁症、抗癫痫等重要疾病治疗药物中间体及脂肪族、芳香族手性醇精细化工品的国内外技术进展与应用，为高效能立体选择性生物催化剂的创制和手性化合物的生物合成提供理论借鉴和成功范例。
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图16
羰基还原酶催化不对称合成(R)-1,3-丁二醇[147]
正文中引用本图/表的段落
2,3-丁二醇是一种有具有广泛工业应用前景的化学品，具有两个邻近立体中心的光学纯2,3-丁二醇被用作手性化合物的重要组成部分。羰基还原酶能够将二乙酰还原为乙酰丁酸酯，然后还原为2,3-丁二醇的不同异构体[146]（图16）。Wang等[147]分离获得的Rhodococcus erythropolisWZ010菌株，可将二乙酰还原为光学纯的(2S,3S)-2,3-丁二醇，从该菌株中分离纯化的羰基还原酶催化制备(2S,3S)-2,3-丁二醇不对称合成，产率为98％，e.e.为100％。He等[148]构建了大肠杆菌工程菌共表达(2S,3S)-2,3-丁二醇脱氢酶和甲酸脱氢酶，用于从(S)-3-羟基丁酮生产(2S,3S)-2,3-丁二醇，产率达38.41g/L，e.e.达98.03％。
光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[ 149]使用 Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇 e.e.>99％.此外，Vitale等[ 150]发现一种耐热 Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为( S)-醇.来自 hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为( S)- α-(三氟甲基)苄醇， e.e.为96％[ 151].从 Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶 TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为( R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物 e.e.>99.6%)[ 152].Zhang等[ 153- 155]从 Candida parapsilosis中发现了一种( S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物( R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在 S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且 e.e.>99%.Qin等[ 156]对来自于 Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的 α-卤素取代苯乙酮（ e.e.>99%）. ... Efficient (3S)-acetoin and (2S,3S)-2,3-butanediol production from meso-2,3-butanediol using whole-cell biocatalysis 1 2018 ... 2,3-丁二醇是一种有具有广泛工业应用前景的化学品，具有两个邻近立体中心的光学纯2,3-丁二醇被用作手性化合物的重要组成部分.羰基还原酶能够将二乙酰还原为乙酰丁酸酯，然后还原为2,3-丁二醇的不同异构体[146]（图16）.Wang等[147]分离获得的Rhodococcus erythropolisWZ010菌株，可将二乙酰还原为光学纯的(2S,3S)-2,3-丁二醇，从该菌株中分离纯化的羰基还原酶催化制备(2S,3S)-2,3-丁二醇不对称合成，产率为98％，e.e.为100％.He等[148]构建了大肠杆菌工程菌共表达(2S,3S)-2,3-丁二醇脱氢酶和甲酸脱氢酶，用于从(S)-3-羟基丁酮生产(2S,3S)-2,3-丁二醇，产率达38.41g/L，e.e.达98.03％. ... Stereoselective biocatalytic hydride transfer to substituted acetophenones by the yeast Metschnikowia koreensis 1 2012 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Kluyveromyces marxianus CBS 6556 growing cells as a new biocatalyst in the asymmetric reduction of substituted acetophenones 1 2013 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Characterization and further stabilization of a new anti-Prelog specific alcohol dehydrogenase from Thermus thermophilus HB27 for asymmetric reduction of carbonyl compounds 1 2012 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Thermostable alcohol dehydrogenase from Thermococcus kodakarensis KOD1 for enantioselective bioconversion of aromatic secondary alcohols 1 2013 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Carbonyl reductase SCRII from Candida parapsilosis catalyzes anti-Prelog reaction to (S)-1-phenyl-1,2-ethanediol with absolute stereochemical selectivity 1 2011 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Efficicent (R)-phenylethanol production with enantioselectivity-alerted (S)-carbonyl reductase II and NADPH regeneration 2013 Efficient chiral synthesis by Saccharomyces cerevisiae spore encapsulation of Candida parapsilosis Glu228Ser/(S)-carbonyl reductase Ⅱ and Bacillus sp. YX-1 glucose dehydrogenase in organic solvents 1 2019 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Engineering of Candida glabrata ketoreductase 1 for asymmetric reduction of α-halo ketones 1 2016 ... 光学活性苯乙醇及其衍生物是合成手性醇药物和精细化学品的重要中间体.Singh等[149]使用Metschnikowia koreensis全细胞来不对称还原具有 各种取代基的苯乙酮，以25mmol/L苯乙酮为底 物，转化率可达92％，产物手性苯乙醇e.e.>99％.此外，Vitale等[150]发现一种耐热Kluveromyces marxianus菌株，可用于不同的苯乙酮衍生物生物还原为(S)-醇.来自hermus thermophilusHB27的短链脱氢酶可将2,2,2-三氟苯乙酮不对称还原为(S)-α-(三氟甲基)苄醇，e.e.为96％[151].从Thermococcus kodakarensis KOD1中纯化的羰基还原酶TkADH可催化2,2,2-三氟苯乙酮还原为(R)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇，也显示了良好的立体选择性(产物e.e.>99.6%)[152].Zhang等[153-155]从Candida parapsilosis中发现了一种(S)-选择性的羰基还原酶SCRII，通过定点突变获得E228S，进一步与葡萄糖脱氢酶共表达后，在12h内，产物(R)-苯乙醇的化学纯度为99.5%，产率为92.2%.而后将E228S/SCRII和GDH共同固定在S. cerevisiae AN120 osw2?中，在乙酸乙酯中经4~6次循环后，产率超过70%且e.e.>99%.Qin等[156]对来自于Candida glabrata的CgKR1进行工程改造，可催化不同取代基的α-卤素取代苯乙酮（e.e.>99%）. ... Cloning and characterization of a NADH-dependent aldo-keto reductase from a newly isolated Kluyveromyces lactis XP1461 2 2015 ... 羰基还原酶广泛存在于细菌、真菌与动植物体内，种类与数量众多，来源广泛.因微生物易于获得、生长周期短且具有丰富的多样性，科学家常直接从环境样品，如土壤、海水等中筛选含羰基还原酶的微生物，并进一步分离、鉴定，获得对应的羰基还原酶.酿酒酵母、克鲁维酵母、假丝酵母、毕赤酵母、不动杆菌、假单胞菌、乳酸杆菌等细菌或真菌来源的羰基还原酶已得到分离、鉴定，并应用于手性醇产品的不对称合成.Chen等[4]开发了一种改进的手性高效液相色谱酶活性分析方法，成功分离出了一株能够将2-苯甲酰胺基1-3-氧代丁酸酯还原为(2S,3R)-甲基-2-苯甲酰胺基甲基1-3-羟基丁酸酯的含羰基还原酶新菌株Burkholderia gladioli ZJB-12126.Luo等[5]克隆并表达了来自黏红酵母 R. glutinis XP1463的羰基还原酶CaAKR和来自乳酸克鲁维酵母K. lactis XP1461的KlAKR，催化6-氰基-(5R)-羟基-3-羰基己酸叔丁酯的不对称还原，e.e.值均大于90%. ...
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