这是一篇关于原创性科学研究的学术报告。

发表信息与作者机构 该研究由北京大学化学与分子工程学院的雷晓光教授团队主导，联合武汉大学药学院、苏州诺华技术开发有限公司以及瑞士诺华制药公司等机构的研究人员共同完成。高磊、邱翔、杨军和胡康德龙为本文的共同第一作者。这项研究成果于2026年1月29日在线发表于国际顶级学术期刊《Science》（科学）上，文章DOI为10.1126/science.adw3365。

研究背景与目的 酰胺键（amide bond）是药物化学中最为普遍的结构单元之一，在2023年全球销售额前200的小分子药物中，有117种含有至少一个酰胺键。然而，传统的化学合成方法通常依赖于使用化学计量的偶联试剂来活化羧酸，此过程会产生大量废弃物、限制底物范围且原子经济性（atom economy）较差。因此，开发一种更高效、可持续的酰胺合成方法具有极高的应用价值。近年来，虽然已有研究尝试从低活化态的醛或醇出发进行氧化酰胺化（oxidative amidation），但大多需要使用昂贵或有毒的过渡金属催化剂。本研究旨在开发一种全新的生物催化策略，通过对自然界中广泛存在的醛脱氢酶（aldehyde dehydrogenases, ALDHs）进行蛋白质工程改造，使其获得直接催化醛与胺缩合形成酰胺键的能力，从而实现一种绿色、高效的酰胺合成平台。

研究流程与实验方法 本研究的工作流程包含了蛋白质工程设计、结构生物学解析、酶学机制研究、底物范围拓展、级联反应开发及药物合成应用验证等多个环节。

首先，研究者试图将ALDHs改造为氧化酰胺化酶（oxidative amidases, OxIams）。ALDHs的天然功能是氧化醛生成羧酸，反应会经过一个高活性的硫酯中间体（thioester intermediate）。研究的核心设想是通过改造酶的活性口袋，利用胺来拦截这个硫酯中间体，从而直接生成酰胺。研究者以来源于恶臭假单胞菌的对羟基苯甲醛脱氢酶（P-hydroxybenzaldehyde dehydrogenase, PHBDD）为模式酶出发。通过解析PHBDD的晶体结构并进行序列比对，他们识别出对水解反应至关重要的两个保守残基：作为催化碱的E259和可能参与水分子活化的R166。通过定点饱和诱变和组合筛选，他们发现了双突变体R166M-E259L（命名为M1）。该突变体重塑了底物结合口袋，创造了一个更疏水的环境，从而有效降低了水解活性，但此时其对于体积稍大的胺的催化活性依然有限。

为了提升对更广泛胺底物的催化效率，研究者基于M1的共晶结构，对其口袋内额外的八个疏水残基进行了迭代饱和诱变（iterative saturation mutagenesis）。筛选后发现，L163G和T234G突变进一步提升了酶的活力。其中，L163G通过扩增口袋空间来降低空间位阻，以容纳更大的烷基胺。而T234G的突变则通过晶体结构和底物隧道分析被阐明其作用——该突变将胺进入的隧道半径从6.1 Å扩大到8.1 Å，从而使得胺类底物能更顺畅地接近活性中心。最终得到的三重突变体M2（R166M/E259L/L163G/T234G）对多种胺表现出极佳的性能。对于亲核性较弱但药物化学中价值极高的芳香胺，研究者通过对T234的再次聚焦筛选，得到了T234H突变体（M3），组氨酸的引入可能起到了辅助去质子化的催化碱作用。进一步的P156位点饱和诱变产生了最优变体M3-P156V，它能高效催化芳香胺的氧化酰胺化。这一系列构效关系研究表明，在ALDHs中发现的这些关键残基具有保守性，该改造策略被成功应用于其他几种ALDHs，证明了其通用性。

在底物拓展实验中，研究者直接在最优条件下使用表达工程化酶的大肠杆菌或纯化酶进行了测试。在醛的底物谱方面，工程酶能够兼容苯甲醛、杂环醛等多种底物，并表现出优异的化学和区域选择性。在胺的底物谱方面，从短链伯胺、仲胺到各种取代苯胺，均能以较高产率获得相应酰胺产物。

为了克服脂肪醛不稳定且商业来源有限的挑战，研究者设计了一个一锅两步的酶级联反应（enzymatic cascade）。他们将醇脱氢酶XylB与工程化的OxIam联用，并加入NADP+氧化酶TPNOx用于辅因子循环。该系统成功实现了从廉价易得的醇出发，一步直接合成酰胺，极大地提升了反应的实用性和原子经济性。

最后，研究者通过构建共表达OxIam和TPNOx的大肠杆菌全细胞催化体系，实现了酰胺的克级规模合成，验证了该工艺的可放大性。在药物分子合成应用中，他们为抗贫血药物Vadadustat和抗癌药物Imatinib设计了全新的化学-酶法合成路线，相较于传统工艺，新路线在步骤经济性、原子经济性和环境友好性上均展现出明显优势。

主要研究结果 本研究成功将水解酶醛脱氢酶（ALDH）改造为全新的氧化酰胺化酶（OxIam），该酶能在温和的水相条件下、以氧气为唯一氧化剂，高效催化结构多样的醛和胺直接偶联形成酰胺键。X射线晶体学证实了酶活性位点重塑成功，能够容纳胺并稳定酰胺化途径。通过酶动力学、质谱分析等一系列实验，证实了其遵循典型的半硫缩醛化和硫酯中间体机制。最终，OxIam展示出广泛的底物谱和极高的选择性，能够耐受游离的醇、酮、羧酸、酯和烯烃等多种常见官能团。通过多酶级联，该技术实现了从醇到酰胺的直接转化。在药物合成应用中，新设计的路线相比传统方法在原子经济和步骤经济上均有显著改善。

研究结论与价值 该研究将自然界中负责氧化的醛脱氢酶，通过理性蛋白质工程，彻底转变其功能，创造了新颖的氧化酰胺化酶家族，为酰胺键的形成提供了一种通用、绿色的生物催化平台。这项工作的科学价值在于，它不仅开拓了生物催化合成酰胺的新路径，还通过对酶催化机理和结构重塑的详尽阐述，揭示了ALDH超家族实现功能衍生化的潜在规律。其应用价值则体现在为药物生产提供了可持续的新型合成策略，有望替代传统高污染、高能耗的化学方法。

研究亮点 此项研究具有以下几个突出亮点：首先，在概念上具有高度的原创性，首次将醛脱氢酶重新编程，用于实现非天然的氧化酰胺化反应，填补了生物催化从低活化态前体合成酰胺的空白。其次，其蛋白质工程策略是理性设计与迭代定向进化的完美结合，不仅通过结构分析锁定了关键残基，还通过底物隧道分析等生信手段深入阐明了酶活力提升的分子机制，具有普适推广价值。最后，该研究的应用导向极为明确。全细胞催化和级联反应的开发，以及对多种上市药物合成路线的重新设计，强有力地证明了该技术在工业规模的药物生产中具有巨大潜力，是基础研究向应用转化的一次成功示范。