Enantiodivergent, Biocatalytic Routes to Both Taxol Side Chain Antipodes
- 作者
- Brent D. Feske, Iwona A. Kaluzna, Jon D. Stewart
- 单位
- Department of Chemistry, University of Florida, 127 Chemistry Research Building, Gainesville, Florida 32611
- 杂志
- Journal of Organic Chemistry（2005）
- DOI
- 10.1021/jo0516077
- 所属领域
- 合成生物学/生物催化
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何高效、对映发散地合成紫杉醇侧链（N-苯甲酰苯基异丝氨酸）的两个对映异构体，作为紫杉醇半合成的重要中间体
研究策略
利用面包酵母基因组中两个对映互补的还原酶（醛糖还原酶YDL124w和短链脱氢酶YGL039w）对α-氯-β-酮酯5进行不对称还原，分别得到syn-氯醇对映体，再经碱介导环合形成环氧酯，并通过Ritter反应直接构建噁唑啉环，最后水解得到紫杉醇侧链的两种对映体
核心内容
该研究开发了一条对映发散的化学酶法路线，用于合成紫杉醇侧链（N-苯甲酰苯基异丝氨酸）的两种对映异构体。研究者从面包酵母基因组表达文库中筛选获得两个对映选择性互补的还原酶——醛糖还原酶YDL124w和短链脱氢酶YGL039w，分别在大肠杆菌中异源表达，对α-氯-β-酮酯底物进行不对称还原。表达YDL124w的菌株以91%产率生成单一产物syn-(2S,3R)-氯醇（1.3 g，比旋光度-3.0°），而表达YGL039w的菌株得到syn-(2R,3S)-与anti-(2S,3S)-醇的9:1混合物。全细胞面包酵母还原则产生四种立体异构体，目标产物仅占50%，凸显了单一酶的优越性。在优化发酵条件下，光学纯产物产量达1.33 g/L，底物分解与还原性脱氯损失低于5%。所得氯醇经碱处理定量转化为环氧酯（99%产率），随后通过Ritter反应与苯甲腈一步构建噁唑啉环，避免了危险的叠氮化物中间体，水解后以85%产率获得紫杉醇侧链乙酯，对映体纯度接近单一（含约5%杂质）。该路线从同一前体出发，总产率66%即可获得另一对映体，仅损失一个氯原子，展示了基因组级酶筛选策略在不对称合成中的高效性与实用性。
创新点
['通过基因组表达文库筛选获得两个对映选择性互补的单一酵母还原酶，避免了全细胞还原酶相互竞争导致的低选择性', '利用Ritter反应以苯甲腈一步将环氧酯转化为噁唑啉，避免了使用危险的叠氮化物中间体，提高了原子经济性', '实现紫杉醇侧链两个对映体的简短化学酶法合成，整个过程仅损失一个氯原子']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (基因来源) | 紫杉醇侧链生物合成 | YDL124w | 醛糖还原酶 (GST融合蛋白) | 催化 | 不对称还原α-氯-β-酮酯5，高选择性生成syn-(2S,3R)-氯醇6 |
| Escherichia coli BL21(DE3) (表达宿主) | 紫杉醇侧链生物合成 | YDL124w | 醛糖还原酶 (GST融合蛋白) | 催化 | 重组E. coli用于大规模生物转化，产6达1.33 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae (基因来源) | 紫杉醇侧链生物合成 | YGL039w | 短链脱氢酶 (GST融合蛋白) | 催化 | 不对称还原5，得到syn-(2R,3S)-为主的氯醇混合物(9:1)，用于合成ent-7 |
| Escherichia coli (表达宿主) | 紫杉醇侧链生物合成 | YGL039w | 短链脱氢酶 (GST融合蛋白) | 催化 | 重组E. coli用于制备ent-6/ent-7 |
关键发现
- ['表达YDL124w的E. coli还原底物5，得到单一产物syn-(2S,3R)-6，产率91%（1.3 g），比旋光度[a]D -3.0°（c
- 68, CHCl3）', '表达YGL039w的E. coli还原5得到syn-(2R,3S)-和anti-(2S,3S)-醇的9:1混合物', '全细胞面包酵母还原5产生四种立体异构体的混合物，目标syn-(2S,3R)-产物仅占总量的50%', '在优化条件下，1 L发酵液中光学纯6的产量≥1.33 g/L，底物分解和还原性脱氯损失<5%', '6经K2CO3处理转化为cis-环氧酯7，产率99%，[a]D +24°（c
- 5, CHCl3）', '7与苯甲腈发生Ritter反应得到trans:cis噁唑啉=5:1混合物，纯trans-2经柱色谱分离产率55%', '2在酸性条件下水解得到紫杉醇侧链乙酯8，产率85%，mp 162-163 °C，[a]D -12°（c
- 0, CHCl3）', '从5出发经YGL039w还原和环合，制备ent-7的总产率为66%，[a]D -29°（c
- 9, CHCl3）', '对映体纯度检测显示ent-8为单一对映体（检测限内），8含约5%对映体杂质']
研究结论
成功开发了一条简短、原子经济的化学酶法路线，利用两个对映互补的酵母还原酶从同一前体分别合成紫杉醇侧链的两种对映体，同时展示了基因组级酶筛选策略在解决不对称合成问题中的强大效用。