解开手性合成“魔法”——记国家“优青”项目获得者程峰
绿水青山就是金山银山,坚定不移走生态优先、绿色发展之路,这是全社会的共识。为了答好生态这道题,浙江省生物有机合成技术重点实验室成员,浙江工业大学生物工程学院85后的副教授、博士生导师——程峰,致力于工业酶创制与手性生物合成技术的研发,把论文写在了祖国大地上。
程峰,生物化工领域的青年科学家,浙工大本土培养的本硕士生,德国亚琛工业大学博士,浙江省万人计划青年拔尖计划入选者,2022年国家自然科学基金优秀青年基金资助的获得者之一。他怀揣绿色化工梦,手握SCI收录论文40余篇、中国发明专利20余项(授权16项)、国际发明专利2项,将所学深入应用到具体的工业生产中,创新科技发展为人民生命健康保驾护航。
青年立志,探寻“良药”创制之路
“努力研发颠覆性生物制造技术,利用这些技术在传统生物产业中实现颠覆性创新,从而使相关联的传统生物产业获得新生,在为百姓健康谋取福泽的同时,起到减排增效、节省资源和保护生态环境的作用。”程峰在工大读书期间,深受沈寅初院士与郑裕国院士的影响,励志要做“老百姓用得起的好药”。
硕士毕业后,程峰在导师的推荐下,去了德国深造。“我的科研事业从读博士开始。”他师从国际知名酶定向进化专家UIrich Schwaneberg教授,“那是一个特别大的课题组,来自世界各地的研究者在这里碰撞智慧,激荡创新火花,为我打开了新的科研思路与角度。”在德国的实验室里,他明确了未来的研究方向——酶定向进化技术,还结识了不少中国青年科学家,互相鼓励、共同进步。2015年学成归 国的程峰回到母校——浙江工业大学,继续从事工业酶相关研究。
“优青项目是我近十年研究成果的总结与提升,并非是一时的灵光闪现。”程峰进入自己的老师——郑裕国院士团队,将博士所学与浙工大重点研究方向相匹配,进行酶分子改造创制工业催化剂,以此生成许多单一手性的光学纯化合物。
手性化合物好比人的一双手,左右手呈镜面对称,一只手代表“天使”能生产出手性药物,另一只手则代表“恶魔”可能产生副作用也可能无效。程峰的研究目标是精准地生产更多的“天使”。“要实现这一手性合成‘魔法’,酶作用的发挥至关重要。”程峰团队通过解析酶的立体选择性机制,理清酶自身结构与功能的关系,再对其进行改造,使其能专一地生成“天使”。然而,筛选过程难以想象地复杂。上千次的实现结果呈现负向,一度让程峰陷入迷茫。“一种酶一般有五六百个氨基酸组成,我要做的技术是能像导弹一样精准到关键氨基酸,改变其分子结构,从而改善工业酶的性质,更好更快地获得光学纯化合物。”
一天,原本关注于“导弹头”设计的程峰,在一次偶然的“错误实验”中,改变了“导弹”尾部,竟然大幅度提高了制导效果。这次误打误撞让程峰发现了预想之外的氨基酸位点改造,为项目带来重大转折点。终于,功夫不负有心人。程峰把“天使”和“恶魔”这对手性“哥俩”分开了。他自豪地说:“在学校高端、齐备的实验室里,我们通过实验与模拟,在两个月里完成了别人需要两年的研究周期的关键技术突破,大大节省研发时间。”
深耕不辍,心系人民生命健康
如果药品中的有害成分不能被检测发现,那么人类健康将受到“药”的反噬。上世纪60年代前后,“反应停事件”曾引起世界性轩然大波和忧虑。而单一手性成为阻止“良药”变“毒药”的最佳途径。各国药典纷纷规定只有手性纯的化合物才允许被使用。
手性化学品广泛应用于医药、农业、食品、材料等领域,在国计民生中占据极其重要的地位。目前,全球正在研发的新药中三分之二是手性药物。近20年来,更有三次诺贝尔化学奖授予手性分子合成的相关研究。而化学合成单一手性是生物催化的优势,紧扣这一优势,面向国家重大需求,面向人民生命健康,程峰致力于研究更好的制造技术。
“著名的降血脂药物阿托伐他汀是人类历史上销量最大,销售额超过千亿美元的药物,其结构中含有手性醇结构,通过我们的技术,就能将其高质量制造出来。”程峰表示,项目实现了阿托伐他汀钙关键中间体的国内高质量规模化生产,药品质量标准超过了欧洲和美国药典,产生了显著的社会和经济效益,“企业会通过工业流程把我们设计的催化剂生产出来,然后以此来制备医药中间体。”
除了医药领域,程峰教授透露,技术也可应用于农药领域的手性除草剂,这将有效减少无效成分对土壤的污染,对环境保护大有裨益。“未来,我们将在科学层面更加深入,努力过滤筛选这一过程,让催化剂只专一地生产‘天使’。”程峰对项目未来的发展前景充满信心。
引路领航,做学生的筑梦人
程峰团队里有博士生、硕士生,还有本科生。作为一名老师和科研工作者,他与不同层次 的学生都保持了良好的互动和教学。
“本科学习的关键是找准自己的兴趣点,立足课本,灵活思考。”程峰会跟本科学生分享学术动态,鼓励他们开发天马行空的想法,发挥自己的潜力,拓宽自己的思维。他还亲 自带 领学 生 参 加生 物 基因 工 程 大赛 ,2018、2019、2020年连续斩获基因工程大赛金奖。
“研究生要做有用的科研,我的研究生偏向应用与工业方向,要为地方经济发展和企业解难事服务。”程峰的学生里有中国人,也有来自非洲、北美的国际友人,程峰为他们筑梦,为每一代学生引路领航。有的学生继续钻研学术,有的做了生物老师,有的去了知名药企。
程峰严谨的治学态度和幽默的教学方式时刻感染着他的学生们,“每当遇到挫折,程峰老师都会第一时间给予支持和帮助,使我不仅仅拘泥于一时的结果,而是更致力于学术思维和创新学习,”21级生物与医药硕士李可欣说道,“程老师是我研究生道路上的指路人,是一路前行的光,指引着我们不断前行。”
在未来研究计划上,程峰表示,学术传承就像接力赛,凭着俯首传薪的态度与薪尽火传的精神,才能打赢科学技术研究这场“韧的战斗”。