全 文 ：·综述与专论· 2012年第10期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
生物催化（biocatalysis）又称生物转化（biotrans-
formation），是利用酶或生物有机体对外源有机物的
某一特定功能基团或部位进行特异性的结构修饰以
获得有价值的不同化学产物，其本质是酶催化反应。
生物催化利用生物体对底物的不确定性，充实了新
化合物的资源 ；利用其多样性，可以获得一些化学
合成难以得到的活性化合物［1］。基于其高选择性、
高效、条件温和及环境友好等特点，生物催化成为
可持续发展过程中替代和拓展传统有机化学合成的
重要方法。
作为一项变革技术，自从 2003 年增列入国家中
长期科技发展规划和“863”计划专题，生物催化已
然在多个领域取得发展，如生物质能源开发生产沼
气，燃料氢和乙醇，生物柴油等生物能源及聚乳酸
（PLA）等一些生物材料［2］；CO2 生物转化 CH4［3］；2， 3-
收稿日期 : 2012-04-01
作者简介 : 王仁杰 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 中药生物技术 ; E-mail: wrj447320766@126.com
通讯作者 : 刘墨祥 , 男 , 教授 , 研究方向 : 中药与天然药物 ; E-mail: Liumx54@sina.com
有机化合物生物催化研究进展
王仁杰 刘墨祥
（扬州大学医学院中药研究室，扬州 225001）
摘 要： 随着近十几年来工业生物技术的发展，有机化合物的生物催化也取得了飞速的进步。近几年的研究集中在：新生
物催化剂的筛选和酶的定向改造；非水相生物催化中酶有机溶剂耐受性的增强和非传统介质的应用；生物催化在手性化合物，药
物等精细化学品领域的应用；组合生物催化作为组合化学和生物催化相结合而成的一个新技术生长点，并取得一定的进展，为新
药的开发提供一种切实可行的方法。
关键词： 生物催化 酶 组合生物催化 瘤胃微生物 先导化合物
Research Progress in Biocatalysis of Organic Compounds
Wang Renjie Liu Moxiang
（Traditional Chinese Medicine Laboratory，Medical Academy，Yangzhou University，Yangzhou 225001）
Abstract: With the development of industrial biotechnology in the last decade, biocatalysis of organic compounds has also made raid
progress. In recent years, research has focused on ：Screening of new biocatalysts and directed transformation of the enzyme ；Enhancing
organic solvents tolerance of enzyme and the application of non-traditional media in non-aqueous biocatalysis ；Applications of biocatalysis in
chiral compounds, drugs and other fine chemicals ；As a new technology growth point combination of combinatorial chemistry and biocatalysis,
combinatorial biocatalysis has also made some progress and provides a practical approach for the development of new drugs.
Key words: Biocatalysis Enzyme Combinatorial biocatalysis Rumen microorganism Lead compound
丁二醇和 2-苯乙醇［4］的生产 ；天然香兰素等香精香
料的合成［5］；农药分子的选择性结构修饰及手性农
药去消旋化［6］；阶梯生物催化协同提取技术提取薯
蓣皂苷元等［7］。另外，生物催化在不对称合成，手
性拆分和药物及新药开发领域也呈现出其独特的优
势并逐渐成为研究的重点和热点。
本文是从生物催化剂的筛选和改造，非水相生
物催化及热点应用领域 3 个方面对近几年生物催化
和生物转化领域内研究的热点进行综述。
1 生物催化剂的筛选和改造
现今生物催化工业化发展的瓶颈之一就是可用
于工业生产的生物催化剂种类不多，转化率不尽如
人意，这就需要从自然界大量筛选具有特定功能或
特性更优秀的新催化剂，并对其加以改造。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第10期42
1.1 新生物催化剂的发现
生物催化剂主要来源于微生物，尽管科学家在
微生物研究方面已经取得很大的进展，但人们所了
解认识的微生物相对于整个微生物库来说只是极少
的一部分。生物催化的发展要求我们发现更多生物
催化剂，它们应具有适用于新反应类型，转化率更
高，有机溶剂耐受性更强等特性。这就需要研究人
员扩大微生物来源，逐渐把目光集中到那些种类繁
多、环境独特、功能多样的微生物源，如海洋和反
刍动物的瘤胃。
海洋资源丰富，是人类赖以生存的后盾。在生
物催化领域，研究者们已然从中筛选出了许多新的
生物催化剂。肖峰等［8］从青岛黄海海域的鱼类、海
水、贝类和海泥等样品中分离得到菌株 Aranicola
proteolyticus XF-1，环境适应性好，为中度嗜冷细菌，
所产蛋白酶为中性蛋白酶。White 等［9］从一种已知
海洋细菌生物膜上得到一种对 EDTA 敏感的新型蛋
白酶。吕明生等［10］首次报道了 Pseudoalteromonas
tetraodonis产生低温右旋糖苷酶，他们筛选得到的
菌株 LP621 产生的右旋糖苷酶作用温度低、耐热性
好，具有很大的潜在工业应用价值。此外，如产淀
粉酶［11］、酯酶［12］和琼胶酶［13］的海洋细菌也大量
被报道。
与单胃动物相比，反刍动物具有较强的降解消
化饲料的能力，这与其体内的瘤胃微生物密切相关。
反刍动物的瘤胃中栖息的微生物有细菌（超过 200
种）、原虫（超过 25 个属），真菌（5 个属）和古菌。
瘤胃微生物是反刍动物独特的组成部分，是目前已
知的降解植物纤维素类物质最高效的天然体系。它
依赖瘤胃微生物群体之间的协同作用，将天然纤维
素类物质快速降解转化成一系列动物能源和营养物
质［14］。复杂有机物降解需要 4 种功能菌群的协同作
用，包括初级发酵细菌、次级发酵细菌和 2 种产甲
烷古菌。通过菌群的协同作用，复杂有机物最终被
转化成甲烷和 CO2。瘤胃微生态系统富含的与纤维
降解相关的基因能促进复杂碳水化合物的转化，在
多种工业过程中具有良好的应用潜力。Duan 等［15］
从水牛胃中筛选分离得到 7 个在 pH5.5 或更低时具
有较强活性的纤维素酶，为进一步工业化应用奠定
了基础。
反刍动物是食草动物，草类植物当中含有丰富
的糖类、生物碱类、皂苷类、黄酮类、苯丙素类和
醌类等物质，反刍动物的瘤胃对这些物质都有着强
大的降解转化能力。真正作用的是瘤胃微生物，尤
其是瘤胃细菌。而这一切都是基于瘤胃来源酶的强
大生物催化功能。可以预见，瘤胃来源酶将在生物
催化领域大放异彩。
1.2 天然酶的改造
定向进化是酶分子改造常用方法。主要有 3 种
策略 ：随机突变、靶向突变和 DNA 重组。
易错 PCR 是在采用 DNA 聚合酶进行目的基因
扩增时，通过调整反应条件来改变突变频率，从而
以一定的频率向目的基因中随机引入突变，获得蛋
白质分子的随机突变体。一般适用于较小的基因片
段，突变碱基中转换高于颠换，因此应用范围有
限。汤晓玲等［16］对菌株 Rhodobacter sphaeroides 的
RSP-2728 酯酶基因利用易错 PCR 技术进行立体选择
性进化研究得到突变株 C8G1，对映体选择性从 3.13
提高到 14.01，提高了 4.5 倍。组合设计方法是一种
非理性设计方法，通过在蛋白质随机位点引入随机
突变来提高蛋白质的稳定性。DNA 改组是通过单个
基因或多个家族基因产生同源重组突变库，其优点
是不需要了解结构信息和功能关系。定点突变技术
又称为理性设计，可以作为DNA重组的有益补充［17］。
实验室酶进化效率是目前亟待解决的问题，定
向进化技术知名专家——Reetz［18］在 2010 年报道了
一种为加速酶立体专一性和热稳定性的定向进化的
方法 ：迭代饱和突变（ISM）。该研究通过将饱和突
变应用于定向进化已经系统研究过的脂肪酶，严格
测试了 ISM 的效率。结果显示，仅筛选 10 000 转化
子就达到了没有先例的对映体选择性（E=594）。证
实了 ISM 比传统的定向进化方法更有效。
定向进化技术都需要高通量筛选方法的支撑，
高通量检测方法则根据不同反应的特性而各不相同。
能否建立高通量，自动化的筛选方法成为酶定向进
化乃至自然界新生物催化剂筛选的关键所在。Pohn
等［19］开发了一种高密度微克隆点阵结合光学传感
和自动图像分析的筛选平台技术，可以同时对 7 000
2012年第10期 43王仁杰等 ：有机化合物生物催化研究进展
个微克隆中的酶活力进行快速检测。孙艳等［20］建
立了一种以滤膜为基础的高通量筛选耐热胆固醇氧
化酶的方法，将酶的热处理和酶与底物的反应分开，
不需要培养单个菌落，操作简便可行，且可以衍生
至其他特性筛选，具有较好的通用性。
2 非水相生物催化
在规模化工业生物反应过程中，很多是在有机
相中进行的。将酶应用于生物催化的主要挑战是将
生理状态下的催化剂转变为工业过程中苛刻条件下
执行功能的催化剂［21］。生物催化剂在非水相中活性
及稳定性下降是限制其在工业化应用的最大障碍。
酶修饰、固定化和非传统介质应用等生物技术改造
是克服这些障碍的重要办法［22］。此外，筛选内源性
稳定的酶也是解决办法之一。某些极端环境下生存
的极端生物，很有希望从中获得高稳定性的酶。在
一些野生微生物中已经发现一些酶具有较高耐溶剂
性质，以革兰氏阴性菌 Pseudomonas和海洋来源的
革兰氏阳性菌 Bacillus为代表的一类耐溶剂细菌统
称为 OSTB［23］。吴薛明等［24］对 2007 年以前应用和
正在开发的耐有机溶剂极端微生物和酶类作了总结。
酶的修饰主要有酶的化学修饰和赋形剂激活，
以及酶的定向进化。酶的化学修饰主要是酶表面基
团特别是赖氨酸的疏水修饰。赋形剂激活如青霉素
酰胺酶与盐共冻干，其在正己烷中的转酯活性提高
了 35 000 倍［22］。定向进化也可以提高酶在有机溶
剂中的活性［25］。南极假丝酵母 Candida Antarctica
lipase B 立体专一性区域点突变使得它在环己烷中专
一性提高了 270 倍。
固定化技术可以保护酶在有机溶剂中的变性。
周成等［26］在介孔泡沫硅中对青霉素酰化酶和胰蛋
白酶进行醛基化修饰固定，稳定了酶的亚基，在建
立了酶催化微环境的同时，又提高了酶在极端环境
下的稳定性。但在以共价键进行固定化的同时，往
往会造成酶结构的改变。将酶固定在酵母细胞表面
的酵母细胞表面工程为此提供了一个替代办法［27］。
与常规有机溶剂相比，一些非传统溶剂也能增
强酶的溶剂耐受性，提高酶的活性，改善其对映体
选择性。例如，加入少量表面活性剂可以显著改善
一些疏水性强底物的分散状态，大幅度提高了反应
速率和选择性。最近离子液体的应用也提高了酶的
长期稳定性，但其毒性情况仍然不太明确，有待进
一步的研究来评价其可持续性［28］。氟两相体系和超
临界流体的均相生物催化不仅实现了高效催化，还
使得催化剂和产物的分离和回收较简便易行［29］。以
交联膜［30］为代表的气固相界面反应体系的发展也
很迅速，为一些高附加值化合物（如香料）的生产
提供了新方法。
3 热点应用领域
现今生物催化已经涉及大宗化学品、生物能源、
食品和精细化学品及环境保护等很多领域。因其具
有高度的化学、区域和立体选择性，适用于医药，
食品和农药等精细化工产品的合成制备，所以在精
细化学品（农药、手性化合物、香精香料、药物和
化妆品等）领域呈现出无法比拟的良好发展势头。
3.1 手性化合物
大多数生物分子，如糖、氨基酸以及由它们组
成的生物大分子，如蛋白质、DNA 等都具有手性。
这就使得生物体能够高度地选择识别特定的分子来
进行各类反应。因此，利用特异的生物催化手段合
成手性化合物就成为一种有效的方法，这种方法又
叫做不对称合成。目前化学催化拆分或不对称合成
仅局限在有限范围内，许多化学催化手性合成反应
步骤多，要使用昂贵的手性试剂，环境污染重，能
耗高，并且产物非天然型。生物催化手性合成已成
为制备手性化合物最有前景的方法之一。
目前，报道多应用于手性化合物合成的酶主要
有环氧化物水解酶、酮酸脱羧酶、醇脱氢酶和氰醇
裂解酶等。应用于手性化合物合成的微生物主要包
括细菌、放线菌、真菌和酵母菌。如常用于还原羰
基化合物生成手性醇的是面包酵母。生物催化在手
性药物合成中主要有 3 种反应类型 ：不对称还原反
应，不对称水解及其逆反应和不对称环氧化反应［31］。
有时一种手性化合物的合成可以应用其中不同的反
应从不同的路径进行生物催化合成。例如，手性芳
基邻二醇的合成主要有芳酮或芳烯的不对称氧化还
原反应和芳基环氧化物的不对称酶促水解反应［32］。
生物催化在手性药物等手性化合物制备中的应
用主要包括两个方面 ：一是关键中间体的制备 ；二
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第10期44
是进行消旋化合物的拆分。利用生物催化法制备手
性化合物或关键中间体已有不少成功的实例。王婷
等［33］利用酶 Lipoprine 50T 进行生物拆分就得到了
普瑞巴林手性中间体，并优化了合成工艺，使得收
率由原来的 90% 提高到 99%。
3.2 组合生物催化与新药开发
组合生物催化是指利用一种以上的具有特殊转
化功能的微生物或酶，对同一个母体化合物进行组
合转化，以得到化学结构的多样性，它是从已知化
合物中寻找新型衍生物的有效手段。生物体内大量
酶的作用导致了天然产物的多样性及其结构的复杂
性。应用组合生物催化方法可以实现一系列复杂的，
传统化学方法难以实现的化学反应 ；可以生成稀有
活性成分，扩大已知物种的药用价值以及丰富先导
化合物筛选库。
目前国内学者大多还只是在一些综述中对组合
生物催化概念及优越性进行探讨。刘永红［34］在研
究左旋肉碱的合成方法时，设想用多菌株转化一种
底物的模式，探索将高转化率菌株与能转化为所需
构型的高光学选择性菌株结合起来，转化同一种底
物。这一设想后来正契合了孙轶然［35］为解决天然
抗病毒药物研发而提出的理念——“组合微生物转
化”。也有少数实验室开始实际涉足这一领域。例
如，生物反应器工程国家重点实验室生物催化与生
物加工研究室尝试了用自主筛选的糖苷酶和脂肪酶
以葡萄糖为出发底物建立了三维阵列的组合合成分
子库［36］。
国外学者在该领域的研究显得更为具体和深
入。Rich 等［37］利用组合生物催化产生了一系列结
构改良的二羟基甲基玉米赤霉烯酮类似物 ；Garcia-
Janceda［38］研究了多酶体系组合生物催化合成糖复合
物（包括核苷酸糖、天然化合物糖基化和肽糖等）。
鉴于许多具有生物活性的天然产物都是由生物体通
过专门的生物合成途径生成，设想可以通过设计合
理的路径来进行组合生物催化，而合理催化路径的
设计就取决于合理模型的建立。国外研究者建立的
模型主要有酶模块系统和固体基板 ：（1）Rupprath
等［39］开发了一个高度灵活的酶系统，第一次实现
了胸苷二磷酸激活脱氧糖的原位再生。使用 3 个酶
模块组合生物催化生成新的鼠李糖。该系统允许在
脱氧糖模块中进行酶的交换以及在糖基转移酶模块
中进行糖基转移酶和苷元的交换，从而生成一系列
新的糖基化天然产物。该系统优点在于催化体系的
灵活多变，研究者可以根据不同需求设计不同反应。
（2）固相组合生物催化是组合化学的一种替代方法。
它运用了温和反应条件下酶的高度专一性，区域及
化学选择性。Brooks 等［40］首次报道了在固体基板
上酶催化氧化和卤代的一系列反应。固体基板固定
一系列氧化酶，可以进行乙醇氧化、酚类耦合、芳
香化合物和烯烃卤代以及烯烃环氧化反应。这种方
法扩大了生物催化的范围，丰富了复杂先导化合物
库。天然黄酮类化合物——岩白菜素被作为一个模
型底物，评估了固相组合生物催化的可行性［41］。良
好模型的建立需要更为深入地了解生物催化机理。
因此，生物催化机理的研究成为整个领域中最具挑
战性的理论研究方向。
4 结语
生物催化因其高效、专一性强及环境污染少等
优点而被广泛应用。但由于生物催化剂的热稳定性
差、易受 pH 值影响以及有机溶剂耐受性差等缺点，
其在大规模工业生产中的应用受到了很大的限制。
受益于定向进化和酶固定化等技术的进步，相信将
来会有越来越多的各式各样的生物催化剂在工业生
产中发挥独特的作用。在未来进一步的研究当中，
有几点建议供研究者们参考 ：（1）利用瘤胃微生物
之间的协同关系，实现先导化合物的组合微生物催
化 ；（2）开发建立自动化程度高，灵活性好，通用
性强的高通量筛选平台 ；（3）充分利用基因工程等
高科技手段，构建新型基因重组菌和转基因植物组
织，实现复杂天然产物和具有药用前景的复杂化合
物的组合生物催化。可以预见，生物催化在医药中
间体等高附加值化工产品的生产过程中，将会呈现
出跳跃式增长。
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（责任编辑 狄艳红）