通过转氨酶催化的动态动力学分辨法简洁构建β支化芳香族D-氨基酸

新型药物构件为何重要

现代药物常常依赖微小的三维结构细节在体内发挥作用。这项研究探讨了一种更干净的制备途径，用于合成一类特殊的结构单元：非凡的氨基酸变体——构成蛋白质和许多药物的小分子单元。通过调整这些氨基酸的构型，化学家能调节药物与靶点的配合度、在血液中的半衰期以及抵抗降解的能力。该工作引入了一种高效的生物催化方法来制备难以获得的“镜像”氨基酸（D-型）并在侧链上增加额外支链，且展示了这些构件可直接嵌入与癌症相关的肽类药物中。

非常见氨基酸作为精密工具

氨基酸存在两种镜像形式，称为L型和D型，类似左右手的关系。生命系统主要在蛋白质中使用L型，但D-氨基酸在生物学和医药领域也扮演重要角色，从神经功能到抗生素和抗肿瘤剂均有涉及。药物设计者越来越多地用修饰后的氨基酸替换天然残基以改善活性和稳定性。尤其是在侧链的“β位”所作的改动，已被证明能改善L-氨基酸的药物学表现。然而，几乎没人系统地测试在D-氨基酸上引入β位支链是否也能类似提升含D残基药物的性能，主要原因是清洁且高效地合成这类分子在技术上具有很大挑战。

将酶用作选择性的分子工厂

作者求助于生物催化——利用酶作为在温和、环保条件下运行的小型反应工厂。他们聚焦于一种名为BsDAAT的D-氨基酸转氨酶，来自芽孢杆菌，天然参与D-苯丙氨酸的合成。其策略基于所谓的动态动力学分辨法：一组起始分子以外消旋对存在可快速互变的形式，酶则选择性地将其中一种镜像转化为产物。随着反应进行，“错误”的镜像会不断被回收为“正确”的形式，几乎整个混合物最终被导入单一、高纯度的产物。借助经精心挑选的氨基供体D-赖氨，驱动反应前进，研究团队优化了条件，使BsDAAT能够将β支化芳香族酮酸高效地转化为具有两个相邻手性中心的D-氨基酸，产率和光学纯度均很高。

调节酶以接受多种形状底物

虽然野生型酶对若干模型底物表现良好，但对许多其他底物效果欠佳，产率一般或产生立体化学混合物。为扩大其适用性，研究者采用了有针对性的工程策略。在计算机对接模型指导下，他们观察底物在酶活性口袋中的结合方式，确定了16个可变位点。通过系统地将这些位点替换为不同体积的残基并在代表性的“难处理”底物上测试所得变体，他们锁定了关键热点。两个突变体，V33F和V33A，表现尤为出色。V33F通过体积更大的芳香族侧链增强了与多种底物的堆积相互作用，大幅提高了立体选择性；而V33A以更小的侧链创造了额外空间，使对位位取代且空间受阻的分子恢复了反应性。在近三十种芳香族底物的测试中，这些变体实现了高达99%的分离得率和出色的立体控制，常见的期望对映体比超过20:1，对映纯度超过99%。

局限、见解与设计原则

团队还探索了体系的边界。较大的β侧链如乙基或丙基仅被弱接受，而脂肪族（非芳香）底物通常表现出较差的立体控制，这表明该口袋更适合平面、含环基团，能够参与堆积或通过空间排布影响反应。详细的建模揭示了特定残基的改变如何收紧或放松结合适配性，在柔性与预先构象之间取得平衡，并影响底物羧基与关键结合残基的相互作用。这些结构性见解提示，位阻拥挤和微妙的电子效应共同决定了哪些底物最适合该酶，也为未来旨在处理更大体积或纯脂肪族侧链的进化迭代提供了路线图。

从酶学实验室到类药分子

为展示实用价值，作者放大了选定反应的规模，并将所得β支化D-氨基酸作为固相合成的构建模块，制备了与生长抑素相关、用于癌症相关病症的肽类药物兰瑞肽（Lanreotide）的衍生物。通过用新获得的β-甲基D-苯丙氨酸或D-萘基丙氨酸类似物替换兰瑞肽中的一个非天然残基，他们创造了可供进一步评估其活性或药代动力学改进的新变体。总体而言，这项研究展示了一条高效、绿色的通路，可通向一大类β支化芳香族D-氨基酸，并强调了精密工程化酶如何为药物发现打开新的化学空间。

引用: Liu, Z., Zhai, W., Zeng, Z. et al. Concise construction of β-branched aromatic D-amino acids via transaminase-catalyzed dynamic kinetic resolution. Nat Commun 17, 3591 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70265-x

关键词: D-氨基酸, 生物催化, 酶工程, 动态动力学分辨法, 肽类药物