重要的药物分子和天然产物通常含有多个手性中心，而且这些手性中心的构型对它们的生物活性有决定性的影响。如何高效高立体选择性地精准构建复杂分子中的多个手性中心，获得单一构型的产物是有机合成化学中极具挑战性的领域之一。左炔诺孕酮（levonorgestrel）、孕二烯酮（gestodene）是两种非常重要的小分子避孕药物，2018年全球零售药物中排名均在前200名内，销售总额达到20亿美元。(13R,17S)-ethyl secol是合成这两种药物的关键中间体，一个直接制备(13R,17S)-ethyl secol的方法是ethyl secodione的去对称性还原，因为ethyl secodione分子中有2个相同的羰基可以被还原，还有1个季碳原子，可能有10种构型产物 (Fig. 1)，从上世纪60年代至今，科学界一直没有解决的合成过程中立体选择性差、转化效率低、产物复杂的难题。

中科院天津工业生物技术研究所朱敦明研究员、吴洽庆研究员带领的生物催化与绿色化工团队，针对ethyl secodione立体选择性还原问题，首先筛选了实验室的百种羰基还原酶，对转化结果进行分析对比，以来源于Ralstonia sp.的羰基还原酶RasADH作为模板，利用结构指导的定向进化策略，经过数轮的改造筛选，获得了能够高效催化底物ethyl secodione的突变酶RasADH F12，该突变酶对底物的活力提高了183倍，目标产物的比例由37.3%提高至>99.5%，双羰基还原产物比例由18.8%降低至<0.1% (Fig. 2)，并且实现了公斤级底物的转化，为工业化应用奠定了基础。获得的突变酶具有较好的底物谱，能够应用于多种结构的2,2-双取代-1,3-环戊二酮的去对称性还原，获得单一构型的产物。

研究团队进一步与所内刘卫东副研究员和西班牙的Sílvia Osuna教授合作，通过对该突变酶与产物复合物的晶体结构分析和分子动力学计算，解析了突变酶的催化活力和立体选择性提高的分子机制，为进一步设计改造羰基还原酶实现多手性复杂分子的精准构筑提供了理论基础。

该研究工作得到了国家重点研发计划合成生物学重点专项，国家自然科学基金，天津市科技局平台项目等经费的支持。相关研究成果发表在Nature Catalysis上。研究团队的陈曦副研究员和张红榴科研助理为论文并列第一作者。中科院天津工业生物所朱敦明、吴洽庆研究员和西班牙的Sílvia Osuna教授为论文通讯作者。 

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Fig. 1. ethyl secodine羰基还原可能生成的10种构型产物

Fig. 2. The iterative stepwise improvement process of directed evolution of RasADH.