從無到優全球率先，這個上海市技術發明一等獎項目掌控生物製造產業核心「晶元」——酶

催化劑，是化學反應的「魔術棒」，它們按照人的需求，改變反應物的反應速率，卻不改變化學式兩邊的平衡，因為90%以上的工業過程中均使用催化劑。

但催化劑，就一定是化學催化劑嗎？大勢所趨的綠色化學需要更為綠色的反應過程。華東理工大學許建和教授項目團隊就瞄準了「生物催化劑」在醫藥研發領域的獨特優勢，深耕十六載，助推相關產業的綠色轉型升級，建立了酶法合成萬能抗氧化劑——「(R)-硫辛酸」的成套工藝，並在全球率先實現產業化。

5月15日，這一「生物催化劑的快速定製改造及高效合成手性化學品的關鍵技術」項目，獲得2018年上海市技術發明獎一等獎。

「基因搜索引擎」千里挑一選出「尖兵」

神奇的(R)-硫辛酸，是一種類似維他命的萬能抗氧化劑，在預防和治療心臟病、糖尿病及老年痴呆症方面有廣泛應用。但其生產的關鍵中間體——「手性氯醇」，因其化學合成條件十分苛刻，安全和環保壓力巨大。

能不能變「化學催化為主」為「生物催化為主」？事實上，設計並創製高效、專一、綠色的生物催化劑和催化工藝，已成為國際上高端手性化學品合成技術發展的普遍趨勢和第一選擇。

經過慎重思考，許建和團隊選擇「(R)-硫辛酸」等手性醇工業生產所需的「羰基還原酶」催化劑作為主攻方向，早在上世紀90年代中期就前瞻性地組建起國內最早的生物催化研究室。「生物催化是化學催化的有益補充和手性合成的重要手段，具有反應條件溫和、立體選擇性強等獨特優勢。」 許建和表示。

作為微生物，天然酶的基因數量特別巨大，動輒數以百萬。高效、穩定的工業用生物催化酶的篩選，也猶如大海撈針一樣極其艱難。能否把天生脆弱的酶分子，改造成工業上穩定耐用的催化劑，更是關係到生物催化能否實現產業化應用的關鍵。

為了從多達375萬條基因的資料庫中快速篩選出工業上有用的羰基還原酶，項目團隊通過梳理歸納基因的「進化樹」，科學規劃、聚類約簡，從每3000條相似基因中挑選1名代表，經過常規的分子克隆和發酵技術，製備出可代表300多萬條功能未知基因的1214個先導酶，使得目標酶基因的搜索空間一下子縮小了3個數量級。

「精心挑選並培養出來的先導酶分子，就像是一個個潛伏在茫茫基因『林海』中的『尖兵』，一旦與待測試的目標底物接通『信號』，即可引導『基因搜索引擎』，瞄準『進化樹』上活性先導酶鄰近的基因群落，再通過高通量篩選方法，快速定製並獲得具有特需工業屬性的羰基還原酶。」許建和比方說。

定向進化策略將酶催化效率提高960倍

經過前期的頂層設計和批量定製，項目團隊逐步建立了產權自主、代表性強、品種逾千的生物催化先導酶「尖兵團」。對於製藥工業不同結構的羰基底物，滿足了它們不對稱生物還原的多樣化需求，顯著提升了我國從頭設計和定製工業酶的自主創新能力。

「無中生有」只是第一步，更進一步則是「從有到優」。

在此基礎上，項目團隊針對天然酶活力低、穩定性差等應用瓶頸問題，解析了酶的晶體結構和催化機理，在2018年諾貝爾獎化學獎相關技術的基礎上，創新發展了多目標並行的定向進化策略（MODE），成功將天然羰基還原酶的催化效率提高960倍，穩定性提高1940倍，得到高性能的「(R)-硫辛酸」合成酶催化劑。

生物催化酶「尖兵團」高效而穩定建立，解決了長期困擾工業界的酶催化劑效率低、選擇性差等技術難題，將開發周期由原來的1到2年，大幅度縮短至1到2周，極大提高了目標生物催化劑從頭設計開發的針對性和命中率。

「酶是生物製造產業的核心『晶元』，而智能化是未來發展新趨勢，這些都是技術創新和知識產權爭奪的焦點。」許建和表示，團隊將在繼續堅持源頭創新的基礎上，結合機器深度學習等智能計算方法，持續深耕並完美解出的「卡脖子」難題，更好滿足醫藥化工行業安全、節能、減排等技術轉型升級的深層次需求。

產品總收率翻番而能耗與三廢大減

隨著項目團隊在羰基還原酶催化領域不斷取得豐富成果，蘇州富士萊製藥公司、江西科苑生物葯業有限公司、廈門歐米克生物科技有限公司等多家企業慕名而來，希望獲得生產革新方面的技術支持，解決傳統生產過程存在的不安全、不環保、成本高、純度低等難題，開拓全新的綠色生產工藝。

於是，項目團隊跨前一步，深度參與科技成果產業化進程。「大型反應器中局部的過酸或過鹼現象，容易造成酶的工藝性失活。」許建和解釋道。項目團隊改用對酶友好的弱鹼，替代容易使酶失活的強鹼，大幅減緩了酶的失活，並設計製作了酶反應專用的鹼液噴霧均布裝置，顯著降低了反應器中酸和鹼的濃度級差，攻克了長期懸而未決的酶工藝性失活問題。

成功破解酶的失活難關後，項目團隊又針對反應底物在水相中不穩定、頻繁更換工作介質造成大量浪費和排污等情況，在酶促還原反應中引入後續步驟通用的溶劑，形成了「甲苯-水」兩相酶催化介質體系，有效抑制了底物酮酯的自發水解，建立了基於羰基酶法還原的「(R)-硫辛酸」綠色製造成套工藝。

值得一提的是，合作企業蘇州富士萊製藥有限公司由此果斷淘汰了原來使用的6步全化學合成工藝，在全球範圍內率先建立了既高效又環保的「酶-化學偶聯法」合成技術，工藝路線從6步縮短為3步，產品總收率從25%提高至55%，大幅度降低了能源消耗和三廢排放。

十餘年來，該項目獲中國發明專利授權26項，申請美國專利1項、PCT專利1項；發表相關SCI論文45篇，被他人引用530次；近3年為企業新增產值9.8億元，新增利潤2.4億元，並培育了一家上市企業；累計培養博士和碩士研究生100餘人，其中4人已經成長為高校教授……

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