华理“上海市技术发明奖一等奖”项目从无到优 深耕“生物催化剂”十六载
催化剂是化学反应的“魔杖”。 它们根据人类的需要改变反应物的反应速率，而不改变化学式两边的平衡。 90%以上的工业过程都使用催化剂。 但催化剂一定是化学催化剂吗？ 绿色化学的大趋势要求反应过程更加绿色。
华东理工大学徐建和教授项目团队聚焦“生物催化剂”在医药研发领域的独特优势，16年耕耘，推动医药绿色转型升级并建立了通用抗氧化剂“(R)-硫辛酸”的酶法合成方法。 工艺流程齐全，并在国际上率先实现产业化。 该项目“生物催化剂快速定制转化及手性化学品高效合成关键技术”荣获2018年度上海市技术发明奖一等奖。
基因搜索千里之外选拔“领头兵”
神奇(R)-硫辛酸是一种类似维生素的通用抗氧化剂，广泛用于预防和治疗心脏病、糖尿病和阿尔茨海默病。 但其生产的关键中间体“手性氯醇”化学合成条件苛刻，安全环保压力巨大。 能否从“化学催化为主”转变为“生物催化为主”？
事实上，设计和创造高效、特异、绿色的生物催化剂和催化工艺已成为全球高端手性化学合成技术发展的共同趋势。 经过深思熟虑，徐建河团队选择了(R)-硫辛酸等手性醇工业化生产所需的羰基还原酶催化剂作为主要研究方向。 早在20世纪90年代中期，我国最早的生物催化研究实验室就被积极建立。 “生物催化是化学催化的有益补充，是手性合成的重要手段，具有反应条件温和、立体选择性强等独特优势。”
作为微生物，天然酶的基因数量特别多。 筛选高效稳定的工业生物催化酶就像大海捞针一样。 天然脆弱的酶分子能否转化为工业上稳定耐用的催化剂也是生物催化能否工业化的关键。 为了从多达375万个基因的数据库中快速筛选出工业上有用的羰基还原酶，项目组梳理了汇总基因的“进化树”，科学规划、聚类和约简，从每3000个相似基因中进行筛选。 一位代表通过常规分子克隆和发酵技术，制备了1214种先导酶，代表了超过300万个功能未知的基因，将目标酶基因的搜索空间减少了三个数量级。
“精心挑选和培养的先导酶分子就像潜伏在基因‘森林’中的‘先锋’，一旦信号连接到待测的目标底物，它们就能引导基因搜索引擎瞄准‘进化树’。” “通过高通量筛选方法，可以快速定制与活性先导酶相邻的基因群落，从而获得具有特定工业特性的羰基还原酶。”徐建河说。
继续努力解决“卡脖子”问题
经过前期顶层设计和批量定制，项目组逐步建立了一支自主产权、代表性强、品种达千余个的生物催化铅酶“领军军团”。 针对医药行业不同结构的羰基底物，满足不对称生物还原的多样化需求，显着增强我国从无到有设计定制工业酶的自主创新能力。
“从头开始创造”只是第一步，下一步是“从有到有”。 在此基础上，项目组对酶的晶体结构和催化机理进行了分析，以解决天然酶活性低、稳定性差等应用瓶颈。 基于2018年诺贝尔化学奖相关技术，创新研发了多目标并行定向进化策略（MODE），成功将天然羰基还原酶的催化效率提高了960倍，稳定性提高了1940倍，产生了极高的催化效率。 -性能(R)-硫辛酸合酶催化剂。
生物催化酶“煎饼团”高效稳定，解决了长期困扰行业的酶催化剂效率低、选择性差等技术难题。 大大缩短了开发周期，从原来的1~2年缩短到1~2周，大大缩短了开发周期。 这提高了目标生物催化剂从头设计和开发的针对性和命中率。 “酶是生物制造产业的核心‘芯片’，智能化是未来发展的新趋势，这些都是技术创新和知识产权竞争的焦点。” 徐建河表示，团队将结合智能计算方法，继续努力解决“卡脖子”问题，更好满足医药化工领域安全、节能等技术转型升级的深层次需求。行业。
深度参与科技成果产业化
随着项目组在羰基还原酶催化领域不断取得丰硕成果，苏州富士莱药业有限公司、江西科源生物制药有限公司、厦门欧米克生物科技有限公司等多家企业纷纷前来在这里，希望能够获得生产创新。 我们提供技术支持，解决传统生产中存在的不安全、不环保、成本高、纯度低等问题，开发新型绿色生产工艺。
项目组向前迈进了一步，深度参与科技成果产业化进程。 “大型反应器局部过酸或过碱很容易造成酶的工艺失活。” 徐建河解释说，项目组改用对酶友好的弱碱，而不是容易使酶失活的强碱，这大大减慢了这一过程。 酶的灭活，设计并生产了酶反应专用的碱喷雾均匀分布装置，可显着降低反应器内酸碱的浓度梯度，克服了长期存在的酶灭活技术难题。 鉴于水相中反应底物的不稳定以及工作介质的频繁更换，项目组还引入了酶促还原反应后续步骤的通用溶剂，形成“甲苯-水”两相酶催化介质。介质造成大量浪费和污染。 该系统有效抑制了底物酮酯的自发水解，建立了一套完整的基于羰基酶法还原的(R)-硫辛酸绿色制造工艺。
值得一提的是，合作企业苏州富士莱药业有限公司果断取消了原有的6步全化学合成工艺，在全球率先建立了“酶-化学偶联法”合成技术，既高效又环保。 工艺路线由6步缩短为3步，产品总收率由25%提高到55%，大幅降低能耗和三废排放。
十年来，该项目已授权中国发明专利26项，申请美国专利1项，PCT专利1项； 发表相关SCI论文45篇，被他人引用530次； 三年来，为公司增加产值9.8亿元。 ，增加利润2.4亿元，培育上市公司； 还培养了100多名博士、硕士研究生，其中4人成为大学教授。