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nature一篇文献的翻译《生物催化工程的第三次浪潮》
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生物催化工程的第三次浪潮
过去的十年里， 由于科技的进步， 无论是实验室还是工业规模都已确定用具
实用性并且环保的生物催化来代替化学合成中的传统的金属催化和有机催化。
DNA测序以及基因合成的关键进展是基于剪切生物催化剂通过蛋白质工程和设
计，及将酶整合入新的生物合成途径的能力取得的巨大进步。 为了突出这些成就，
在此我们讨论了以酶催化作为关键步骤，将蛋白质 - 动力学生物催化剂应用于从
通用化学品到先进医药中间体的范围。
生物催化是对合成化学中微生物和酶的应用， 作为自然界的催化用于新的目
的：酶的应用还未涉及到 [1-5] 。通过几次技术研究创新的浪潮，目前生物催化
领域已达到其企业成熟水平。
图 1 酶发现的进程及用于确定所需催化剂的蛋白质工程策略
理性设计（ b）基于蛋白结构（ a）或是同源模建识别不同的突变位点，而随机突变（ c）与
筛选或是选择结合是定向进化实验的基础。结合这些方法使构建更小型但更智能的数据库
（d）成为可能。现在通过富集培养（ e）对酶进行传统筛选已被关键的主题数据库检索（ f ）
代替以指导新型酶或是他们具备的所需特性的确定。在其初期仍是酶的设计（ g）的从头计
算（从头合成 de novo）。内部结构指的是通过生物催化不同的浪潮可得到的进行化学物质。
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R)- 苯乙醇***（左）在 100 年前的植物提取物中已经获得； （ 1S,3S)-3- 氨基环己醇（中）由 Novartis 公司利用一种固定化酯酶制成； 6- *** -2,4,6-3 脱氧 -D- 赤型六吡喃环（右）由
DSM用一个设计的醛缩酶耐受高浓度乙醛并且获得高选择性的过程制的。
生物催化的第一次浪潮（图 1），始于一个多世纪以前，科学家认识到活细
胞的组成成分可以应用于有效地生物转化 （相对于几千年已经司空见惯的发酵过程）。例如， Rosenthaler 利用一种植物提取物从苯甲醛和***化氢合成的（ R)- 苯乙醇*** [6] ；发生在微生物细胞内的类固醇的羟化 [7] 也已知。较新的例子即洗衣粉中蛋白酶的利用 [8] 。葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为更甜味的果糖 [9] ，青霉素G酰基转移酶制备半合成抗体 [10] 。这些应用关键挑战在于生物催化剂稳定性的
限制及诸如此类的缺点主要通过酶的固定化来克服，这也有利于酶的重复利用。
生物催化的第二次浪潮，在 20 世纪 80 到 90 年代，最初的蛋白质动力学技术，代表性的即基于结构的技术， 扩大了酶的底物范围以允许异常的合成中间产物的合成。这一变化将生物催化扩展到医药中间体和精细化学品的制备。 实例包括脂肪酶催化水解手性前体用于合成地尔硫卓（一种治疗血压药物） ，醇***酶催化合成醇类对映异构体应用于降胆固醇抑制素药物， 脂肪酶催化合成蜡酯类物质例如肉豆蔻醇肉豆蔻酸酯或是十六烷基蓖麻醇酸酯用于化妆品工业， 以及***类水合酶催化水合丙烯***形成丙烯酰***用于高分子材料 （这类***类水合酶已在紫红红球菌全细胞中获得）。除固定化之外，目前的挑战包括优化用于非天然底物的催化剂。
现阶段，生物催化的第三大浪潮开始于 20 世纪九十年代中后期 Pim Stemmer
和 Frances Arnold 的工作。他们首创了分子生物学方法，通过达尔文进化论体外实验快速大量地修饰催化剂。尽管这一术语于 1972 年的全细胞实验中曾被用过，现在这一方法通常称为定向进化， 这一技术的最初方法涉及到在一个蛋白质
中氨基酸的随机突变的迭代循环法， 随后从酶稳定性提高， 底物特异性以及对应
选择性的突变体形成的库中筛选法。 讨论到此，今后的发展已经集中于提高定向
进化的效率以产生“更智能地”数据库。工业生物催化主要集中于水解酶，一些
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