生物酶催化推动绿色合成产业发展

2019-01-08

近年来酶制剂在各个领域研究和应用倍受关注,并取得了重大的突破,国内外成功地问世很多提纯并稳定的酶产量。在我国,生物酶制剂是属于朝阳产业。从科研探索到工作,作者作为该行业多年从业者,分享一些关于生物合成中生物酶催化方向的一些内容和感受。本文将从

1、时代趋势;

2、行业纵览;

3、未来展望

三方面分享生物酶催化推动绿色合成产业发展的一些内容。

一、时代趋势:

首先,生物酶催化技术最好的切入点在于我们的医药市场。大家知道,我们现在的药品主要分为原研药和仿制药两种。原研药的研发和生产很多都掌握在一些欧美一些大型医药公司手中,由于有专利产权保护,市场上的价格很高;随着这些原研药专利过期,很多企业,尤其是很多发展中国家的企业开始对这些原研药进行仿制,也就是我们通常所说的“仿制药”,因为仿制药的质量和疗效几乎和原研药等同,但是价格通常只有原研药的15%-20%,所以仿制药在全球有着相当大的市场规模。

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我们从图中可以看到,从2010开始,全球仿制药市场规模逐年推高,预计到2020年,仿制药的市场规模在10年内提高4倍不成问题。

印度和中国是全球仿制药市场上占据重要地位,各自都差不多站到20%的全球市场规模,其中我们国家今年预计能达到5000亿元的市场规模, 到2020年预计将达到1.4万亿,市场规模的增长速度和体量相当庞大。

因为中国的仿制药研发和生产占据整个医药行业的95%以上,新药很少。所以中国仿制药的现状基本就代表了中国医药行业的面貌。

然而,当我们去仔细观察目前国内众多医药企业情况,尤其是那些传统的化药类企业的时候,我们无法保持一个乐观的态度。废气、废水、废渣所造成的空气污染、水体污染和土壤污染经常被报道。而众所周知,现在政府越来越注重环保,不断地出台新的政策来杜绝和严格控制这些污染的产生。

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所以现在我们国家医药企业面临着这样一个剧烈的矛盾,那就是,虽然我们国家的医药市场在欧美之后,排全球第二,仿制药市场更是以13%的复合增长率快速增加;但是另一方面,国家国务院环保整治不断加大,预计将会有7成原料药企将会因为环保问题遭到淘汰!于是,在这样一个大背景下,我们急需要对现有的医药企业和产业进行绿色升级,从而免遭淘汰,占据和保持住这个巨大市场。

其实,国际上在20世纪90年代就提出过“绿色化学”的概念,来应对和解决在化学合成中出现的各种环保问题。所以它同样也适用于我们所涉及的化药合成绿色升级的问题。

国际上提出的“绿色化学”总共有12项原则,其中我列出了一些重点:比如防止污染的产生优先于事后去治理污染;要考虑高原子经济性,就是尽可能在过程中减少杂质和副产物;此外还有减少能耗、选择可再生原料,高效催化剂,废弃物综合治理等。根据这些原则,我们在具体的方法上可以采取哪些措施呢?

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大家看一下这里的一个典型的化药类产品合成路线示意图。常见的绿色化学的方法包括采用可再生原料,更换有毒溶剂,比如采用清洁的超临界CO2或水,设计更短的化学合成路径减少合成工艺步骤,避免高能耗的高温高压,选择新型的绿色化学催化剂,减少金属催化剂使用,最后可以利用生物催化方法替代化学合成,也属于绿色合成的重要组成部分,并得到越来越多的关注和发展。

生物催化实现绿色药物合成最典型的例子莫过于头孢类抗生素的合成了。

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左侧传统的化学合成一般会经过13步复杂的化学步骤才能实现;而右侧仅需要在特定发酵原料的基础上通过2步酶法就可以实现,而且每kg的产品所产生的废物从原来的15kg降低到5kg,并且减少了各种有机试剂的使用,因为这里的生物催化反应只在无机盐水相中进行,所以生物催化的方法工艺毒性小,更重要的是,由生物催化方法实现的头孢类抗生素生产成本基本是化学合成生产的一半,所以在此生物催化工艺显然在头孢类抗生素的生产中有着非常明显的优势。

二、行业纵览

生物催化技术从萌芽到产业化其实经历了三次浪潮。

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第一次浪潮,大概发生在一个世纪前,科学家发现活体细胞的某些成分可以用于化学转化,而这个时期还停留在实验室阶段,算是生物催化的萌芽阶段。

第二次浪潮,发生在上个世纪八、九十年代,蛋白质工程兴起,扩宽了生物酶的底物范围,是的生物催化的领域拓宽到非天然的医药中间体和精细化工领域,不过这个时期还主要处于小试规模,没有形成大规模工业化生产。

第三次浪潮,发生在上个世纪九十年代中后期,尤其是Frances Arnold教授等发明的定向进化技术极大地改变了生物酶催化剂的蛋白质工程改造的效率,并且伴随着基因合成、测序成本的下降以及计算机辅助的分子模拟技术的发展,生物催化技术极大地拓宽了应用价值。这个时期开始,生物催化技术参与的产品工业化规模开始出现。

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生物催化包括生物酶催化和整细胞催化,但归根结底,生物催化的核心就是其生物催化剂——酶。酶的本质大家应该都清楚,是一种具有生物催化活性的蛋白质或者核酸,当然核酸RNA的催化作用也是后来发现的,称之为核酶,数量和应用还很少,不在今天讨论的范围内。

那从酶的特性来说,它具有催化专一性,高效性,尤其是立体选择性是很多化学类催化剂无法比拟的,另外还有低反应条件,常温常压下即可高效反应,通过添加抑制剂、激活剂和改造进行活性调节,而且酶本身是生物大分子,可以自然降解,所以对环境无毒。

目前生物酶的应用已经相当广泛。工业酶最大的应用领域是洗涤剂领域,我们日常使用的洗衣粉里面都有酶的成分,目前也有越来越多的洗衣液也添加了酶来增强洗涤效果。另外酶还广泛地应用于食品、饲料、纺织、皮革、造纸等领域。而生物酶催化所涉及到最大的酶制剂应用领域则是医药行业。

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生物酶催化工艺基本是按照这样的流程进行,首先是通过发酵的方法实现生物酶的生产;原料通过预处理后在反应罐或者反应柱中经过酶催化反应生成我们所需的产物,之后经过粗品纯化成为最后的产品。

在整个工艺中,涉及到三项关键工程技术,基因与酶工程技术,生物催化反应工程技术以及产品纯化工程技术,这些关键技术是生物催化产业的技术壁垒,也是真正实现生物催化产品工业化的保证。

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这里例举了一些生物催化技术参与的著名医药产品的例子,比如辉瑞的阿托伐他丁,默克的西他列汀都是销售额巨大的西药。它们在合成中都采用了特定的酶制剂,催化部位都用红色标出了。可以发现,目前国际上许多著名药企在他们的产品中都引入了生物催化技术,并实现了产业化规模。而我们国家目前生物催化在化药生产中的应用还并不普遍。

下面通过2个实例来讲解下我国酶催化技术的部分应用。邦泰生物作为国内一家专业从事生物催化生产与技术服务公司,目前也有了不少生物催化技术改造化药企业实现产品绿色升级的例子。

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经过邦泰生物的技术合作,我们拟定了一步酶法的工艺。在这个工艺中,不需要对方额外增加特殊的设备,消除了腐蚀性、有毒试剂,因为反应条件温和,减少了能耗,由于酶催化的特点,极大地减少了污染,由此生产成本下降了50%以上。目前该企业已经从去年开始正常生产,并实现了非常可观的盈利。

第二个例子是熊去氧胆酸的生物催化工艺改造服务。

通过邦泰生物从CDCA出发,通过两步酶法和辅酶循环实现了熊去氧胆酸的生物酶法工艺的开发,仅三个月就实现了十公斤级别的项目验收,并且ee值高达99%,转化率也在99%以上,产品质量符合欧洲标准,最重要的是成本下降了27%,帮助服务的企业建立了年产100吨的生产线,年销售额达2亿元。

当然,虽然生物催化产业前景光明,但是我国的产业化挑战也不小。

首先,虽然利用生物酶催化用于化药产品的绿色升级市场巨大,但是目前仍处于起步阶段;另外,拥有生物催化技术的公司都比较分散,规模也不大,而且供需信息都比较零散,渠道也也只停留在一些常规的商务渠道。

第二,技术服务方面,要设计适合产业化规模的生物催化路线是一大挑战, 尤其是精准对位最适合的生物酶方面技术有一点难度,在上游改造中,酶工程技术是核心,但现有的酶工程改造往往效率不足,周期比较长,无法满足快速的市场需求。另外,一些新的化学方法和其他生物技术的更新也对生物催化产业带来不小的挑战。

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第三,知识产权方面,生物催化工艺中涉及到相当多的工艺步骤,申请知识产权的时候需要统筹安排,先写什么后写什么,保护范围怎么界定,这些我们国家相对于欧美还是比较薄弱的,由此,常会有侵害知识产权方面的问题发生,需要特别注意。最后,在我国,生物催化作为新型行业,尚没有行业标准,需要很多需要我们去完善的部分。

三、行业展望

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了上述产业方向的前景外,生物酶催化技术方面也会迎来新的变化。第一个变化是全面自动化。在我和一些研究机构的接触中,我发现越来越多的生物类实验室开始采用自动化设备来实现无人实验室的方案,加快其研发效率的提升。去年德国的这家生物催化专业实验室已经全面实现了生物酶工程改造的全面自动化方案,研发效率提高了2-3倍。我想这势必是未来生物催化上游研发的发展方向。

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第二个技术发展方向是人工智能。今年麦肯锡全球研究院出了一份关于人工智能机器学习的调查报告,其中说道机器学习其实已经渗入到包括医药行业在内的各个行业领域。目前,消费品、传媒、金融领域已经由于人工智能技术的开发显示出了巨大的经济效应,而医药类企业目前还没有大规模的应用好这项革命性的新技术,但是我们也看到了一些。比如有研究机构已经开发出基于机器学习算法反向推导化学合成路径的软件,大大的加速了化学药物合成的研发速率。这势必也是对生物催化技术发展的一个有力提醒。

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最后,新的生物学方法,合成生物学也会对生物酶催化技术发展产生积极影响。从历史上看,我们经历了达尔文时期的五中生物学时代,然后进入沃森、克里克揭露生命本质DNA结构的分子生物学时代,如今我们已经进入将生物元件如同组装电路一样实现功能性拼接的合成生物学时代。著名的抗疟疾类药物青蒿素的生物合成就是采用了合成生物方法,通过酵母生物转化实现了青蒿素的高产表达,并且成本大幅降低。今后,基于合成生物学的整细胞生物催化必将对生物酶催化产业产生深远影响。

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希望以上分享对您有所帮助。