手性胺非对映体在药品和农用化学品中无处不在，但它们的制备往往依赖于低效率的多个步骤合成。由于它们的生化特性可以根据分子的手性而有所不同，因此通常以不对称的方式制备化合物。

近日，曼彻斯特大学Thomas W. Thorpe, James R. Marshall，Vanessa Harawa和英国约克大学Anibal Cuetos等人首次报道了一种用于胺合成的多功能生物催化剂（EneIRED）的运行机制及特性。

该酶(EneIRED)是在宏基因组亚胺还原酶(IRED)中鉴定出来，起源于一种未分类的假单胞菌，具有不同寻常的活性位点结构，可以促进胺活化共轭烯烃还原和还原胺化。同时可将多种α、β不饱和羰基与胺偶联，有效制备多达三个立体中心的手性胺非对映体。同时，对其机理和结构研究已经展开系统研究以描述EneIRED催化的各个步骤顺序。这项工作表明，IRED可作为一个平台，促进进一步发现酶活性，并应用于合成生物学和有机合成。该论文以题为“Multifunctional biocatalyst for conjugate reduction and reductive amination”发表在Nature上。

一些背景

还原胺化（RA）是药物化学中合成高价值手性胺的最广泛使用和强大的方法之一，通过羰基和胺的还原偶联能够有效形成C-N键。不对称RA的有效催化剂的开发仍在继续探索中，包括那些基于金属，有机和生物催化的催化剂。此外，有价值的含氨基化合物往往包含多个立体中心，尽管完全控制其手性更具挑战性，导致效率较低的多步合成或更复杂的串联催化系统。多酶系统对这些仿生串联过程非常有利，但其应介质和反应速率的不相容性使得合成，这可能导致副产品的形成和复杂的反应装置。为了解决这些问题并实现所需的反应指标，往往需要在每个酶组件上进行大量的蛋白质工程。因此发现一种能够通过类似RA的过程控制多个立体中心的单一酶将是非常可取的，并且能够使用催化剂系统高效合成有价值的胺非对映体。

整体思路

烟酰胺依赖型酶是不对称共轭还原（CR）的通用生物催化剂。对于RA，亚胺还原酶（IREDs）因其具有广阔的底物范围和可用于工业而成为具有吸引力的催化剂。IREDs的特点是对C=N键的还原具有化学选择性，在特殊情况下也可以还原活性羰基C=O键。此外，作者证明了IREDs可以与烯烃还原酶（EREDs）结合同时还原环状α,β-不饱和亚胺（烯-亚胺）的C=C和C=N键。此外，对EneIRED催化环己-2-烯酮1与烯丙基胺a的CR-RA的能力进行了检测，监测潜在的还原和偶合产物1a、1′、1′a，包括共轭加成。反应以高转化率进行，主要形成CR-RA产物1′a和CR产物1′，而没有同时产生直接的RA产物1a。

图| 胺类非对映体及其合成的一锅酶法

利用优化的反应条件探索了EneIRED的底物范围，表现出广泛的底物范围，产生CR和单RA产品。一般来说，无阻碍的烯烃和烯酮可以以高化学选择性转化为相应的饱和胺。作者探究是否合成具有额外立体中心的CR-RA产品。通过环丙胺b与外消旋烯酮的CR-RA表明，单一催化剂可以控制环丙胺环23′b上的三个立体中心，提供优异的对映选择性，以及良好的化学和非对映选择性。

图| EneIRED催化CR-RA的底物范围

接下来作者进行了机理研究，以进一步确定EneIRED的特点，并确定在CR-RA过程中形成的任何中间产物。EneIRED只使用还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐（NADPH）有效地催化了反应。此外，在没有EneIRED或烟酰胺辅基再生系统的情况下，无法检测到任何还原产物。在探究了CR步骤中形成的酶-底物复合物过程中，从反应中省略任何胺供体，都没有产生CR或RA的产物，表明IRED催化的反应在催化循环中明确需要胺的存在。通过X射线晶体学研究EneIRED结构发现，其不对称单元中存在两个分子形成了熟悉结构域交换的二聚体结构，与数据库中的其他IREDs结构相比，最突出的差异是在活性部位。

机理研究

根据结构和机理研究，提出了双EneIRED催化循环用于生产CR-RA。首先，烟酰胺共生基质和α,β-不饱和羰基和胺的缩合产物形成活性位点烯亚胺-NAD(P)H-EneIRED复合物VI。当底物方向在动力学上有利于烯亚胺的C-3朝向烟酰胺氢化物时，CR产生立体富集的1-烯胺-NAD(P)+-EneIRED复合物VII。在这之后，被氧化的辅基和原手性1-烯胺从酶中排出，后者在溶液中被水解，形成立体富集的羰基 VIII。这个实验表明，在CR-RA过程中，EneIRED可以用来建立额外的立体中心。

图| 机理研究

图| EneIRED CR-RA的催化循环及扩展到六电子CR-RA的催化循环

总结

综上所述，作者报告了一种多功能生物催化剂（EneIRED）的特性，它能够催化CR以及亚胺还原和RA。EneIRED具有广泛的底物范围，能够从简单的手性起始材料开始，在一个催化剂的反应中立体选择性地制备有价值的胺非对映体。机理和结构研究显示了一个多步骤的过程，其中EneIRED首先通过一个烯亚胺-NAD(P)H-酶复合物催化胺激活的α,β-不饱和羰基。该反应进一步扩大了IREDs的应用范围，并强调了在合成立体化学定义的手性胺方面的重要性。

参考文献

T. W. Thorpe, J. R. Marshall, V. Harawa, R. E. Ruscoe, A. Cuetos, J. D. Finnigan, A. Angelastro, R. S. Heath, F. Parmeggiani, S. J. Charnock, R. M. Howard, R. Kumar, D. S. B. Daniels, G. Grogan, N. J. Turner, Multifunctional biocatalyst for conjugate reduction and reductive amination. Nature 604, 86-91 (2022).

DOI: 10.1038/s41586-022-04458-x

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04458-x