从无到优全球率先，这个上海市技术发明一等奖项目掌控生物制造产业核心“芯片”——酶
催化剂，是化学反应的“魔术棒”，它们按照人的需求，改变反应物的反应速率，却不改变化学式两边的平衡，因为90%以上的工业过程中均使用催化剂。但催化剂，就一定是化学催化剂吗？大势所趋的绿色化学需要更为绿色的反应过程。华东理工大学许建和教授项目团队就瞄准了“生物催化剂”在医药研发领域的独特优势，深耕十六载，助推相关产业的绿色转型升级，建立了酶法合成万能抗氧化剂——“(R)-硫辛酸”的成套工艺，并在全球率先实现产业化。
5月15日，这一“生物催化剂的快速定制改造及高效合成手性化学品的关键技术”项目，获得2018年上海市技术发明奖一等奖。
“基因搜索引擎”千里挑一选出“尖兵”
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神奇的(R)-硫辛酸，是一种类似维他命的万能抗氧化剂，在预防和治疗心脏病、糖尿病及老年痴呆症方面有广泛应用。但其生产的关键中间体——“手性氯醇”，因其化学合成条件十分苛刻，安全和环保压力巨大。
能不能变“化学催化为主”为“生物催化为主”？事实上，设计并创制高效、专一、绿色的生物催化剂和催化工艺，已成为国际上高端手性化学品合成技术发展的普遍趋势和第一选择。
经过慎重思考，许建和团队选择“(R)-硫辛酸”等手性醇工业生产所需的“羰基还原酶”催化剂作为主攻方向，早在上世纪90年代中期就前瞻性地组建起国内最早的生物催化研究室。“生物催化是化学催化的有益补充和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。” 许建和表示。
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作为微生物，天然酶的基因数量特别巨大，动辄数以百万。高效、稳定的工业用生物催化酶的筛选，也犹如大海捞针一样极其艰难。能否把天生脆弱的酶分子，改造成工业上稳定耐用的催化剂，更是关系到生物催化能否实现产业化应用的关键。
为了从多达375万条基因的数据库中快速筛选出工业上有用的羰基还原酶，项目团队通过梳理归纳基因的“进化树”，科学规划、聚类约简，从每3000条相似基因中挑选1名代表，经过常规的分子克隆和发酵技术，制备出可代表300多万条功能未知基因的1214个先导酶，使得目标酶基因的搜索空间一下子缩小了3个数量级。
“精心挑选并培养出来的先导酶分子，就像是一个个潜伏在茫茫基因‘林海’中的‘尖兵’，一旦与待测试的目标底物接通‘信号’，即可引导‘基因搜索引擎’，瞄准‘进化树’上活性先导酶邻近的基因群落，再通过高通量筛选方法，快速定制并获得具有特需工业属性的羰基还原酶。”许建和比方说。
定向进化策略将酶催化效率提高960倍
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经过前期的顶层设计和批量定制，项目团队逐步建立了产权自主、代表性强、品种逾千的生物催化先导酶“尖兵团”。对于制药工业不同结构的羰基底物，满足了它们不对称生物还原的多样化需求，显著提升了我国从头设计和定制工业酶的自主创新能力。
“无中生有”只是第一步，更进一步则是“从有到优”。
在此基础上，项目团队针对天然酶活力低、稳定性差等应用瓶颈问题，解析了酶的晶体结构和催化机理，在2018年诺贝尔奖化学奖相关技术的基础上，创新发展了多目标并行的定向进化策略（MODE），成功将天然羰基还原酶的催化效率提高960倍，稳定性提高1940倍，得到高性能的“(R)-硫辛酸”合成酶催化剂。
生物催化酶“尖兵团”高效而稳定建立，解决了长期困扰工业界的酶催化剂效率低、选择性差等技术难题，将开发周期由原来的1到2年，大幅度缩短至1到2周，极大提高了目标生物催化剂从头设计开发的针对性和命中率。
“酶是生物制造产业的核心‘芯片’，而智能化是未来发展新趋势，这些都是技术创新和知识产权争夺的焦点。”许建和表示，团队将在继续坚持源头创新的基础上，结合机器深度学习等智能计算方法，持续深耕并完美解出的“卡脖子”难题，更好满足医药化工行业安全、节能、减排等技术转型升级的深层次需求。
产品总收率翻番而能耗与三废大减
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随着项目团队在羰基还原酶催化领域不断取得丰富成果，苏州富士莱制药公司、江西科苑生物药业有限公司、厦门欧米克生物科技有限公司等多家企业慕名而来，希望获得生产革新方面的技术支持，解决传统生产过程存在的不安全、不环保、成本高、纯度低等难题，开拓全新的绿色生产工艺。
于是，项目团队跨前一步，深度参与科技成果产业化进程。“大型反应器中局部的过酸或过碱现象，容易造成酶的工艺性失活。”许建和解释道。项目团队改用对酶友好的弱碱，替代容易使酶失活的强碱，大幅减缓了酶的失活，并设计制作了酶反应专用的碱液喷雾均布装置，显著降低了反应器中酸和碱的浓度级差，攻克了长期悬而未决的酶工艺性失活问题。
成功破解酶的失活难关后，项目团队又针对反应底物在水相中不稳定、频繁更换工作介质造成大量浪费和排污等情况，在酶促还原反应中引入后续步骤通用的溶剂，形成了“甲苯-水”两相酶催化介质体系，有效抑制了底物酮酯的自发水解，建立了基于羰基酶法还原的“(R)-硫辛酸”绿色制造成套工艺。
值得一提的是，合作企业苏州富士莱制药有限公司由此果断淘汰了原来使用的6步全化学合成工艺，在全球范围内率先建立了既高效又环保的“酶-化学偶联法”合成技术，工艺路线从6步缩短为3步，产品总收率从25%提高至55%，大幅度降低了能源消耗和三废排放。
十余年来，该项目获中国发明专利授权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；近3年为企业新增产值9.8亿元，新增利润2.4亿元，并培育了一家上市企业；累计培养博士和硕士研究生100余人，其中4人已经成长为高校教授……
栏目主编：黄海华 文字编辑：黄海华 图片编辑：项建英
图片来源：华东理工大学
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