組合生物催化 2

組合生物催化

(CombinatorialBiocatalysis)應(yīng)化11-5班王同11034216胡紅棟11101205

匯報內(nèi)容：一、組合生物催化的理論基礎(chǔ)與特點二、組合生物催化的類型三、組合生物催化的關(guān)鍵技術(shù)四、組合生物催化的實例五、結(jié)論與展望一、組合生物催化的理論基礎(chǔ)和特點理論基礎(chǔ)：

在自然界的生物體內(nèi)，很多次生代謝物往往是一些小分子的初級代謝產(chǎn)物經(jīng)過由不同的酶參與的代謝途徑而轉(zhuǎn)化生成。例如，生物堿就是初級代謝產(chǎn)物氨基酸通過生物合成途徑產(chǎn)生的。受這種現(xiàn)象的啟發(fā)，一種新的合成方法逐漸發(fā)展完善起來，這就是組合生物催化。只不過生物合成途徑是在生物體內(nèi)完成的，而組合生物催化是在體外完成的。

所謂組合生物催化，就是系統(tǒng)地利用生物催化技術(shù)對天然產(chǎn)物或合成化合物進行修飾，從而建立起高質(zhì)量的化合物文庫，希望能從這些文庫中篩選出活性更高或性能更佳的新化合物。

組合生物催化的核心是生物催化，“組合”不過是一種合成的策略。

組合生物催化和組合化學(xué)的關(guān)系：

聯(lián)系：組合生物催化是酶催化、化學(xué)催化和微生物轉(zhuǎn)化在組合化學(xué)中的應(yīng)用，即通過對先導(dǎo)化合物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生庫。兩者都是以建立化合物文庫為目的。

區(qū)別：在原理和方法上都有明顯的區(qū)別，組合化學(xué)主要通過某種反應(yīng)進行合成，常常有多種化合物參與反應(yīng)，而組合生物催化主要通過多種生物催化方法對某種化合物進行衍生，通常情況下先導(dǎo)化合物只有一個。

圖1組合生物合成新的生物分子的途徑(a)從自然界的合成子;(b)從細胞外的先導(dǎo)化合物

在自然模式下，創(chuàng)造新的有機分子所需時間太長，不適宜于藥物發(fā)現(xiàn)的研究。組合生物催化就是要加速這個自然模式，且將其運用于發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)化合物中。如圖1b所示，這種方法能夠利用天然催化劑(酶或完整細胞)豐富的多樣性，以及一些生長迅速的重組的和工程酶，對一些有希望的藥物和農(nóng)用化合物的先導(dǎo)物直接進行衍生化組合生物催化的特點：

●廣泛的反應(yīng)可能性;

●高區(qū)域選擇性和立體選擇性,能進行位控修飾;

●單步反應(yīng),避免了保護和脫保護步驟;

●自動方便,在溫和均勻的條件下,反復(fù)進行單步反應(yīng);

●反應(yīng)條件溫和,適宜于復(fù)雜、不穩(wěn)定的分子;

●活性高,這樣催化劑的濃度低;

●酶催化劑固定化后可以循環(huán)利用;

●酶能被環(huán)境完全降解;

組合生物催化的優(yōu)勢主要是通過生物催化劑—酶反應(yīng)的特點來體現(xiàn)。酶的最大優(yōu)點在于它具有高度的選擇性，這樣既可以免去在對某些多官能團先導(dǎo)化合物修飾中繁瑣的基團保護和去基團保護，又可以保護先導(dǎo)化合物的手性特征不至于被破壞，適合一般都要求一定的立體結(jié)構(gòu)，而酶法修飾正好可以滿足這方面的需求；另外酶反應(yīng)還具有效率高、收率高和副產(chǎn)物少的優(yōu)點。相比劇烈的化學(xué)反應(yīng)，溫和的酶反應(yīng)條件對于那些熱敏感的先導(dǎo)化合物的合成也有很大的優(yōu)勢。二、組合生物催化的類型1.非水介質(zhì)中的生物催化

在組合合成平臺使用生物催化劑的一個最大障礙是欲修飾的很多底物難溶于水，而大多數(shù)酶體系的微環(huán)境是水，這些酶在有機溶劑中的催化活性大大降低，因此能夠使酶在水環(huán)境中發(fā)揮合成功效的方法常常使得反應(yīng)在有機溶劑中無法進行。利用非水介質(zhì)可以顯著地擴大酶的體外反應(yīng)的范圍。雖然酶在有機溶劑中可以保持其活性，但是其催化效率通常比水中要低幾個數(shù)量級。但近來的研究表明，適當(dāng)?shù)乜刂泼傅奈h(huán)境可以大大提高酶在有機溶劑中的活力。2.酶作為組合生物合成的脫保護工具

酶作為組合生物合成的脫保護工具，使得基團特異的選擇性能夠在溫和的條件下進行，也使其能夠應(yīng)用于最脆弱的分子。復(fù)合脂肪多肽的多步合成中生物催化脫保護的這些優(yōu)勢得到體現(xiàn)，青霉素酰化酶應(yīng)用于高度標(biāo)記的S-軟脂?；墓央牡倪x擇性N-脫保護，如圖4所示，隨后進行的是酶催化除去4-（苯基丙酮）芐氧基羰基保護基團，S-軟脂酰化的寡肽作為進一步合成步驟的構(gòu)建單元，包括偶聯(lián)另一個單獨固相合成的寡肽連相似的酶脫保護策略成功應(yīng)用于酸標(biāo)記和堿標(biāo)記的核酸多肽的制備。3.固定化酶催化

在固相表面進行的組合合成反應(yīng)是建立具有豐富差異性的化合物庫所用的最有效的方法之一，多聚體-支持物合成后通過使支持物與合成的化合物之間的連接基團斷裂的方法而將得到的庫釋放到溶液中去。

酶能夠在組合生物催化領(lǐng)域得到成功應(yīng)用和進展的關(guān)鍵在于大量具有廣譜底物特異性的酶的有效性。最近在新酶發(fā)現(xiàn)發(fā)面的進展得益于重組DNA技術(shù)，它提供了大量的機會得以獲得更多組合生物催化所需的工具酶，從而為產(chǎn)生大量理想化合物庫提供了條件。三、關(guān)鍵技術(shù)1.微生物技術(shù)和酶技術(shù)組合生物催化的核心技術(shù)就是生物催化。生物催化是指利用生物體系或其產(chǎn)生的酶體系對外源性化合物進行結(jié)構(gòu)修飾的生物化學(xué)過程。用于組合生物催化的生物體系最多的一種是微生物體系，包括微生物的采集、分離、培養(yǎng)、鑒定、保存等關(guān)鍵技術(shù)。由于有些催化反應(yīng)要在非水介質(zhì)中進行，而微生物又難于在其中生長，所以對于這些反應(yīng)需用純化的酶進行催化。酶的來源：1.購買；2.發(fā)酵，分離純化。為了提高酶在非水介質(zhì)中的活力，需要對酶進行固定化處理。2.化合物的快速分析鑒定

由于組合生物催化的目的在于建立化合物文庫，所以產(chǎn)物數(shù)量較大，常規(guī)的分析鑒定方法不能滿足需要。在組合生物催化中使用的快速分析鑒定方法有高通量質(zhì)譜分析（一個樣品/min）、用于在線鑒定的高效液相色譜--質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等。另外，新的分析鑒定技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，如液相色譜—核磁共振聯(lián)用技術(shù)必然會促進組合生物催化的發(fā)展。當(dāng)然，要根據(jù)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)不同來選擇具體的方法。3.高通量藥物篩選

高通量篩選(Highthroughputscreening，HTS)技術(shù)是指以分子水平和細胞水平的實驗方法為基礎(chǔ)，以微板形式作為實驗工具載體，以自動化操作系統(tǒng)執(zhí)行試驗過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，以計算機對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，同一時間對數(shù)以千萬樣品檢測，并以相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫支持整體系運轉(zhuǎn)的技術(shù)體系。四、組合生物催化實例

1.從聚芐酯獲得酰胺庫

2.自動合成矮茶素庫3.組合?；u基托烷五、結(jié)論和展望

藥物發(fā)現(xiàn)是一項高風(fēng)險高投入的工作，傳統(tǒng)的方法是從大量的化學(xué)資源中篩選出有望成為新藥的先導(dǎo)化合物（可能的資源包括機體內(nèi)存在的化學(xué)庫、發(fā)酵液、植物抽提物等），然后進行化學(xué)修飾,雖然起初的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)被修飾并藥理活性得到了很大提高（期望的性質(zhì)包括:增加效率、提高選擇性、降低毒性和具有更大的生物利用率）。但是其成功的可能性很低,潛在的花費很高。普遍的觀點是:10,000個化合物僅有一個可能成為新的藥物,從發(fā)現(xiàn)到上市總共需要12年的時間,要花費約3.5億美元。

相比傳統(tǒng)的方法，組合化學(xué)具有從根本上改變新藥發(fā)現(xiàn)途徑的潛力。其總體目標(biāo)就是更快更廉價并且極大量地制造新分子以便進行高通量篩選。這一方法又有不同的形式,但大多數(shù)都是采用自動合成技術(shù)以便集結(jié)某一特定的化學(xué)砌塊(如氨基酸、核苷、糖和簡單的有機環(huán)類等)的所有可能組合,然后對組合庫進行篩選和歸類,以便能夠分離鑒定出所有有活性的產(chǎn)物。組合方法大大地提高了篩選通量:一種典型的估計是,一位化學(xué)家一個月可以合成近3,300個化合物,而每個化合物只需花費12美元。組合化學(xué)造就了許多新的藥物發(fā)現(xiàn)公司,同時在幾乎所有的大藥物公司內(nèi)得以發(fā)展。

但是，從有希望的先導(dǎo)物發(fā)展成為有用的藥物需經(jīng)從對分子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)