北京大学「国家杰青」团队，昨天发Nature，今天再发Science！

酰胺键，是现代药物分子中出现频率最高的化学键之一。统计显示，在2023年全球销量排名前200的小分子药物中，有117种至少包含一个酰胺键，几乎覆盖了抗肿瘤、心血管、抗感染等所有重要治疗领域。然而，正是这样一个“基础到不能再基础”的结构单元，却长期依赖并不理想的合成方式。在传统化学合成中，酰胺键的构建往往需要将羧酸“激活”为高能中间体，并配合大量缩合试剂才能完成偶联。这不仅步骤繁琐、原子经济性低，还会产生大量副产物和化学废物，成为制药工业中碳排放和成本的重要来源。尽管近年来不断有改良策略出现，但要在反应效率、底物普适性、环境友好性之间同时取得突破，仍然极具挑战。相比之下，自然界的酶体系在温和条件下高效、选择性地构建化学键，提供了另一种可能。然而，现有的酶促酰胺合成策略，大多仍然围绕“羧酸活化”展开，尚未真正跳出传统反应逻辑。能否从更低活性的前体出发，用生物催化的方式直接构建酰胺键？这是一个长期悬而未决的问题。

今日，北京大学雷晓光教授提出了一种全新的生物催化策略：通过蛋白工程手段，将自然界中广泛存在的醛脱氢酶（ALDH）重新设计为一种全新的“氧化酰胺化酶”（OxiAm），实现了醛与胺在水相条件下直接生成酰胺键。该反应以空气中的氧作为唯一氧化剂，不需要任何缩合试剂，在温和条件下即可进行。更进一步，研究团队将该体系与醇脱氢酶和辅酶循环模块相结合，构建出从醇出发的一锅式酶促级联反应，直接合成多种药物相关酰胺分子。该策略展现出优异的底物适应性、官能团耐受性和放大潜力，为绿色制药提供了一条全新的合成路径。相关成果以“Engineered aldehyde dehydrogenases for amide bond formation”为题发表在《Science》上， Lei Gao、Xiang Qiu、Jun Yang和Kangdelong Hu为共同第一作者。

尤其值得一提的是，雷晓光教授团队的相关成果于昨日刚刚发表于《Nature》，今日又在《Science》报道最新进展。

雷晓光教授

从传统路径到新思路

研究的起点，来自对酰胺键构建路径的重新审视。如图1a所示，当前主流的化学和酶促方法，几乎都建立在“高活化羰基化合物”之上——羧酸、酯或腈必须先被激活，才能与胺发生偶联。而近年来出现的氧化酰胺化反应，虽然在概念上更简洁，却往往依赖贵金属或有毒催化剂，限制了实际应用。研究团队注意到，醛脱氢酶在自然反应过程中，会经历一个高度活泼的硫酯中间体（图1b）。在野生型酶中，这一中间体会迅速被水分子进攻，生成羧酸。但如果能阻止水的进入，同时让胺分子优先参与反应，就有可能在不经过羧酸活化的情况下，直接生成酰胺键。这一看似“反直觉”的设想，成为整项工作的核心突破口。

图1：传统酰胺键合成路径与酶促氧化酰胺化新策略对比

结构导向的酶工程改造

为了验证这一思路，研究团队以一种来源于假单胞菌的醛脱氢酶为模型，对其活性中心进行了系统性分析（图2a）。晶体结构显示，多个高度保守的亲水氨基酸残基在活性口袋中共同作用，促进水分子进入并完成水解。通过定点突变和组合突变策略，研究者逐步替换这些关键残基，使活性口袋变得更加疏水且空间更大（图2b）。这一改变显著削弱了水解路径，同时增强了胺分子的结合能力。X射线晶体学进一步证实，改造后的酶结构成功稳定了胺进攻硫酯中间体的构象，为酰胺键形成提供了结构基础。最终获得的OxiAm变体，在多种条件下均能以酰胺为主要产物，标志着醛脱氢酶功能的根本性转变。

图2：醛脱氢酶活性口袋的结构改造与机制解析

广泛底物与高选择性

在反应性能测试中，OxiAm展现出令人印象深刻的通用性。如图3所示，无论是芳香醛、杂环醛，还是脂肪族醛，都能与多种一、二级胺顺利反应，生成对应的酰胺产物。更重要的是，反应对羟基、羧基、酯基、双键等官能团高度耐受，极大降低了后续保护–脱保护操作的需求。对于传统方法中反应性较低的芳香胺，研究团队还通过进一步精细化改造酶的“胺通道”，显著提升了反应效率，使得多种药物级芳香酰胺得以高效合成。

图3：OxiAm对不同醛和胺底物的适用性展示

从醇直接出发的酶促级联

考虑到脂肪族醛的不稳定性，研究团队进一步将OxiAm与醇脱氢酶和辅酶再生系统整合，构建出一套完全酶促的级联反应体系（图4a）。在该体系中，醇首先被氧化为醛，随后在同一反应体系中直接转化为酰胺，实现真正意义上的“一锅法”。该策略被成功应用于多种药物分子和关键中间体的合成，包括抗肿瘤和神经系统药物相关结构。在克级放大实验中，体系依然保持稳定的转化率和选择性，展示出良好的工业化潜力（图4b–d）。

图4：从醇直接合成酰胺的酶促级联反应及药物应用示例

小结

这项研究的价值，并不仅在于提供了一种新的酰胺键合成方法。更重要的是，它展示了一种具有普适意义的策略：通过精确的蛋白工程，重新定义天然酶的反应结局。由于醛脱氢酶在自然界中分布极广，研究中提出的改造原则已被证明可推广至多种同源酶，为构建新的生物催化反应网络提供了坚实基础。未来，随着酶工程和计算设计手段的进一步发展，这类“功能重编程”的生物催化剂有望在绿色制药、精细化工乃至材料合成领域发挥更大作用。