編輯丨王多魚

排版丨水成文

酰胺鍵（amide bond）是有機(jī)化學(xué)與生物化學(xué)中至關(guān)重要的化學(xué)鍵，廣泛存在于蛋白質(zhì)、多肽及大多數(shù)藥物分子中。

2026 年 1 月 29 日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院雷曉光團(tuán)隊(duì)（高磊、邱祥、楊軍、胡康德龍為該論文共同第一作者）在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：Engineered aldehyde dehydrogenases for amide bond formation 的研究論文。

該研究在酰胺鍵合成領(lǐng)域取得重大科學(xué)突破，首次提出并驗(yàn)證了一種在反應(yīng)起點(diǎn)、反應(yīng)機(jī)制以及合成邏輯上均不同于既有方法的全新生物催化策略，實(shí)現(xiàn)了酰胺鍵的變革性生物合成。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)自然界中經(jīng)典的醛脫氫酶（aldehyde dehydrogenase，ALDH）進(jìn)行理性酶工程改造與定向進(jìn)化，成功將其轉(zhuǎn)化為一種能夠催化醛直接與胺反應(yīng)生成酰胺的氧化型酰胺合成酶（oxidative amidase，OxiAm）。該研究首次在“新于自然”的生物催化體系中系統(tǒng)性地實(shí)現(xiàn)了從非羧酸出發(fā)的低氧化態(tài)合成前體實(shí)現(xiàn)酰胺鍵構(gòu)建的變革性方法。該方法也不再依賴會(huì)產(chǎn)生大量“建筑垃圾”的酰胺縮合劑，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)都不浪費(fèi)”的理想反應(yīng)，使所有原料原子都進(jìn)入最終產(chǎn)品。在水中，酶像精準(zhǔn)的裁縫，將原料片段拼接起來，不產(chǎn)生任何有害廢物，推動(dòng)含有酰胺結(jié)構(gòu)的藥物分子的工業(yè)化生產(chǎn)開啟精準(zhǔn)、高效、綠色、可持續(xù)的生物制造時(shí)代。

在機(jī)制層面，該策略對(duì)經(jīng)典 ALDH 催化路徑進(jìn)行了根本重構(gòu)。天然 ALDH 催化醛向羧酸轉(zhuǎn)化的過程中，會(huì)短暫形成一個(gè)與活性半胱氨酸相連的硫酯中間體。該中間體在自然體系中被水分子迅速水解生成羧酸產(chǎn)物。研究團(tuán)隊(duì)提出，通過精準(zhǔn)改造酶的活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)并引入胺分子這一非天然底物，使胺類底物優(yōu)先于水分子進(jìn)攻該中間體，從而直接生成酰胺?；谶@一設(shè)想，研究團(tuán)隊(duì)對(duì) ALDH 中四個(gè)高度保守的關(guān)鍵氨基酸殘基進(jìn)行了理性突變。X射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)解析表明，這些突變顯著拓寬并疏水化了酶的催化口袋，為胺底物的進(jìn)入和定位提供了有利條件。正是這一微環(huán)境的改變，使得原本天然的生成羧酸的反應(yīng)路徑被重新導(dǎo)向?yàn)樾掠谧匀坏难趸０坊磻?yīng)。

將醛脫氫酶改造為新于自然的氧化酰胺合成酶

在溫和的水相條件下，OxiAm 能夠高效催化多種結(jié)構(gòu)多樣的醛與胺底物，展現(xiàn)出良好的底物普適性和化學(xué)選擇性。與傳統(tǒng)化學(xué)氧化酰胺化方法相比，該體系無需貴金屬催化劑或有毒氧化劑；與已有生物酰胺合成方法相比，則完全擺脫了對(duì)羧酸底物、ATP 或高能?；w的依賴，代表了一種全新的生物催化反應(yīng)類型。更具突破性的是，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將 OxiAm 與醇脫氫酶相結(jié)合，構(gòu)建了兩步酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系。在該體系中，常見、穩(wěn)定且來源廣泛的醇類底物首先被氧化為相應(yīng)的醛，隨后在同一反應(yīng)體系中直接轉(zhuǎn)化為酰胺產(chǎn)物。這一設(shè)計(jì)使酰胺鍵的構(gòu)建起點(diǎn)進(jìn)一步前移至更低活化態(tài)的醇類原料，顯著拓展了合成原料的選擇空間。

基于這一全新的“醇/醛邏輯”，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)以電影《我不是藥神》中描述的抗白血病明星藥物伊馬替尼（格列衛(wèi)）作為代表性的藥物分子的合成路線進(jìn)行了從頭設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)以羧酸為核心的合成路線相比，新策略在減少反應(yīng)步驟、降低副產(chǎn)物生成以及提升整體原子經(jīng)濟(jì)性方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，展示了其在藥物研發(fā)與工業(yè)制造中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用潛力。

新型化學(xué)酶法合成伊馬替尼關(guān)鍵中間體

綜上，通過提出獨(dú)特的科學(xué)思想，利用精巧的酶工程改造，雷曉光團(tuán)隊(duì)在通向酰胺高效、精準(zhǔn)、綠色構(gòu)造的道路上“鋪設(shè)”了一條全新的生物催化路徑，仿佛在分子世界里開辟了一條隱蔽而優(yōu)雅的高速公路。該生物催化方法將成為能重新規(guī)劃合成路線、突破想象力邊界的“領(lǐng)航員”。酰胺鍵合成的演進(jìn)史，是一部人類不斷追求更精準(zhǔn)、更高效、更綠色的分子制造史詩(shī)。這條小小的化學(xué)鍵，不僅連起了氨基酸、小分子藥物，更連起了基礎(chǔ)科學(xué)與人類福祉。

在微觀世界里，有一種化學(xué)鍵如同生命的“針線”，將氨基酸縫合成蛋白質(zhì)，將藥物分子編織成治病良方——它就是酰胺鍵。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的“碳-氮-氧”組合，卻是生命體系和現(xiàn)代醫(yī)藥的分子基石。目前臨床所使用的小分子藥物中，超過 60% 含有酰胺鍵結(jié)構(gòu)。在藥物研發(fā)所涉及的化學(xué)反應(yīng)中超過一半以上直接服務(wù)于酰胺鍵的構(gòu)造。在過去 100 多年里，人類認(rèn)識(shí)并掌握建造這座“分子橋梁”的技術(shù)，走過了一段充滿智慧的旅程。

酰胺鍵是藥物分子中最常見的化學(xué)官能團(tuán)

19 世紀(jì)的化學(xué)家們，面對(duì)酰胺鍵的合成，就像原始人用燧石打火。他們發(fā)現(xiàn)，若將羧酸與胺混合加熱到 150℃ 以上，有時(shí)能得到目標(biāo)產(chǎn)物。但這方法如同“靠天吃飯”，效率低下，且需要暴力加熱，許多嬌貴的分子在高溫下早已“奄奄一息”。于是，化學(xué)家們學(xué)會(huì)了“先發(fā)制人”：先將羧酸變成脾氣更火爆的酰氯，再讓它與胺反應(yīng)。但酰氯怕水且不穩(wěn)定，空氣中一絲水汽就能讓它失效，且反應(yīng)副產(chǎn)的酸霧也令人頭疼。1902 年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主埃米爾·費(fèi)歇爾，首次用化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了在多肽中酰胺鍵的構(gòu)建。

20 世紀(jì)中葉，多肽與蛋白質(zhì)研究興起，化學(xué)家們需要一種更溫和、更通用的“分子縫紉術(shù)”。這時(shí)，一批“魔法試劑”登上了歷史舞臺(tái)。1955 年，約翰·謝漢和羅伯特·伍德沃德（1965 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主）在明星藥物分子——青霉素的全合成中引入了一種神奇的物質(zhì)——DCC（N,N'-二環(huán)己基碳二亞胺）。它就像一個(gè)“分子紅娘”，一手拉住羧酸，一手拉住胺，促成兩者結(jié)合后，自己悄然化身成固體沉淀離去。這一發(fā)明，讓多種天然產(chǎn)物、藥物分子、多肽/蛋白質(zhì)首次在室溫下合成成為可能，開啟了現(xiàn)代多肽化學(xué)的大門。隨后，EDC、HATU、TBTU 等更強(qiáng)大的酰胺縮合試劑家族出現(xiàn)，催生了多肽固相合成（1984年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）、人工牛胰島素全合成等大批科學(xué)史上的經(jīng)典工作。

但是這些酰胺縮合試劑的“退休產(chǎn)物”難以去除，產(chǎn)生了太多“建筑垃圾”；而且，幾乎所有的酰胺鍵合成都需要從羧酸出發(fā)，底物選擇有限。在綠色化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展的背景下，能否擺脫對(duì)羧酸底物和化學(xué)縮合試劑的依賴，發(fā)展全新的酰胺鍵構(gòu)建邏輯，成為化學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域的重要科學(xué)挑戰(zhàn)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，酰胺鍵的構(gòu)建策略逐步從“化學(xué)驅(qū)動(dòng)”走向“化學(xué)-生物融合”：酶催化等生物方法目前已經(jīng)成為酰胺鍵合成的重要補(bǔ)充。但是，目前所使用的主要催化酶還集中于經(jīng)典的連接酶（ligase）或脂肪酶（lipase）。雖然這些生物催化方法綠色環(huán)保，但是催化活性相對(duì)較低，底物適用性窄，并且都無法逃脫“羧酸依賴”的困境。

酰胺鍵合成的傳統(tǒng)化學(xué)方法

雷曉光團(tuán)隊(duì)此次取得的重大突破，完美解決了上述困境。在國(guó)家將生物制造作為新質(zhì)生產(chǎn)力之一的背景下，酰胺鍵的綠色生物合成方法將為這個(gè)發(fā)展超過百年的經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)書寫新的、更加壯麗的詩(shī)篇。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw3365