全 文 ：第6卷第2期
2008年3月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Mar．2008
· l ·
生物催化立体选择性氧化还原中
存在问题及其发展策略
聂 尧，徐 岩
(江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江南大学 生物工程学院，无锡214122)
摘要：以立体选择性氧化还原酶或其全细胞催化的不对称氧化还原反应已经成为转化光学活性手性醇及其他手
性化合物的有效手段。然而。生物催化氧化还原反应体系存在着催化活性与专一性、反应体系与催化稳定性等生
物催化荆所固有的局限性问题，而且，生物氧化还原反应必需辅酶及其再生问题也是限制该转化途径产业化应用
的一个重要因素。围绕上述生物催化立体选择性氧化还原中存在的关键问题，现代分子生物技术及反应工程的不
断突破和发展为改善生物催化立体选择性氧化还原在催化剂本身和反应工程方面的局限性提供了有效的发展策
略，为其进一步大规模产业应用提供了发展基础。
关键词：生物催化；立体选择性氧化还原；局限性；发展策略
中图分类号：Q81 文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2008)02—0001—09
Biocatalyticsystemsfortereoselectiveoxidor duction：
existinglimitationsandevelopmentstrategies
NIEYao，XUYan
(KeyL山0m：toryofIndustrialB otechnology，MinistryofEducation；SchoolofBiotechnology，
JiangnanUniversity，Wuxi214122，China)
Abstract：Stereoselectiveoxidoreductionsca alyzedby nzymesorwholec llshavebeenwidelyusedfor
preparationofopticallyctivealcoholsandotherchiralcompounds．However，perceivedandreallimita-
tionsofbiocatalysts，includingl miteenzymeavailability，reactionscope，a doperationalstabi ity，still
occurtobiocatalyticoxidoreductions．Inadditio ，theecessityofcofactorsandtheirregenerationin
biooxidoreductionisalsoa significantlimi ationofbiocatalytieredoxforindustrialapp ication．Forthe
criticalissuesonbiocatalyticstereoselectiveoxidoreduction，recentscientificbreakthroughsinmodern
molecularbiotechnologyandreactionengineeringshouldhelptoovercometheselimitationsforfurther
large—scaleindustrialapp icationsofbioeatalyticstereoseleetiveoxidoreductionsys ems．
Keywords：biocatalysis；stereoselectiveoxidoreduction；limitation；developments rategy
收稿日期：20074)9-07
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2003CMl6008)；国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2006AA020104，
2007AA022226)；国家自然科学基金资助项目(20776060)；教育部长江学者与创新团队发展计划资助项目(IRT0532)；新世
纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04-0498)
作者简介：聂尧(1977一)。男，河北唐山人，博士，研究方向：酶工程与技术。
联系人：徐岩，教授，博士生导师，E-mail：yxu@sytu．edu．ca
万方数据
· 2 · 生物加工过程 第6卷第2期
立体选择性氧化还原反应是制备手性化合物
的诸多方式中一类重要的反应类型。基于氧化还
原的不对称反应已经成为制备多种药物、农药以及
功能材料光学纯单一对映体的有效手段[1-2]。2001
年，美国科学家威廉·诺尔斯、巴里·夏普莱斯和
日本科学家野依良治因在“手性催化氧化还原”领
域所作出的杰出贡献而获得诺贝尔化学奖。与传
统利用重金属复合物作为催化剂的化学反应相比，
利用生物转化制备光学纯的手性化合物具有反应
条件温和，产物单一，立体选择性、区域选择性和化
学选择性较高，并能完成一些化学合成难以进行的
反应等优点。这些“绿色化学”的可持续性技术特
征，使生物催化转化手性化合物的研究日益受到研
究者关注，并在该领域投入了大量的工作∞J。生物
体由于其自身的不对称性可以有效识别不同立体
构型的对映异构体，进而导致反应及产物构型的不
对称性H。5J。利用生物体组织、细胞或酶催化手性
化合物转化已逐渐成为获得光学纯手性产品的一
种重要途径。
生物催化手性转化经历了两个发展阶段，一是
以水解酶为主要媒介催化外消旋手性化合物动力
学拆分而得光学纯活性产物；二是手性生物催化
剂——氧化还原酶或其全细胞利用氧化还原反应
从外消旋或潜手性等不同底物出发分别通过去消
旋化、动力学拆分或不对称转化的不同反应方式获
得光学活性单一对映体产物。由于反应方式及底
物类型的多样性，人们可根据反应目标以及转化底
物和产物的理化性质选择有效可行的反应途径。
其中，以立体异构为转化机理的去消旋化和从潜手
性出发的不对称转化因其理论值100％的高产率和
高光学纯度而成为制备手性化合物单一对映体的
重要方式，而这一点也恰恰体现了生物氧化还原反
应优于水解拆分反应的显著优势(图1)哺】。由于生
物氧化还原反应的多样性和可选择性，具有不同化
学结构和功能的醇类、酯类、氨基酸、环氧化合物等
重要手性中间体分别通过氧化还原途径实现单一
光学活性对映体的制备。同时，在工业生物转化方
面的统计分析发现，已知的转化反应方式和途径中
有相当一部分可归属于氧化还原反应类型【『7|。近
年来，Degussa、DSM、BASF、Merck、Daicel、Kaneka等
国际知名公司纷纷开始转向生物催化不对称氧化
还原反应的研究、开发，已经实现了近20种手性醇、
胺等重要医药中间体的规模化生产【8]。氧化还原
生物催化体系因其催化转化的高效和高立体选择
性而在手性生物技术领域中备受关注，成为生物转
化研究的主要方向。
啬卜阳。三乡?
砟，，o⋯一M一么⋯一．磊面
kQ’’‘Q
∞潜手性的不对称转化
A,B一底物对映异构体；P,Q一产物对映异构体 M一潜手性底物；P,Q一产物对映异构体
图1 依据立体异构的去消旋化
Fig．1Deracemizationinvolvingstereoinversionr actionfromprochiralsubstrate
1 立体选择性氧化还原生物催化剂的发现与
改造
1．1 催化立体选择性氧化还原的微生物的发现
高效的立体选择性氧化还原酶或其全细胞是
生物催化手性氧化还原的关键。天然获得的生物
催化剂通常具有较强的催化专一性，就氧化还原酶
而言，则表现为较窄的底物选择范围、专一的辅酶
依赖性以及较为苛刻的催化活性条件(温度、pH)
等，而这种“专一性”大大限制了生物催化剂的有效
适用范围。由于蛋白空间结构具有不对称性，酶在
手性催化特性上表现为立体选择的偏好性，具有手
性化学的“左旋”或“右旋”特征一J。对于立体选择
性醇脱氢酶和羰基还原酶来说，这种偏好性更为突
出，大多数醇脱氢酶和羰基还原酶不对称还原羰基
化合物遵循prelog规则，即催化辅酶烟酰胺环4位
的pro-R氢进攻底物羰基的re面而生成(S)．型手性
醇，而具有反prelog选择性的酶则相对较少，催化还
原不同羰基化合物所得反应产物的对映体构型单
一，不易通过生物催化不对称还原分别获得两种手
性醇的光学活性对映体¨⋯。
万方数据
2008年3月聂尧等：生物催化立体选择性氧化还原中存在问题及其发展策略 ·3·
针对立体选择性氧化还原酶或其全细胞的催
化适用性问题，从物种丰富的自然界中直接筛选目
的微生物及其功能性酶仍是获得新型生物催化剂
的主要途径。对于生物催化立体选择性氧化还原，
以直接作用反应底物获得目标光学活性产物为目
的，通过从自然界或已有保藏菌种中筛选，可以获
得具有不同催化功能和用途的微生物菌株。表1列
举了近几年发现的某些催化不对称氧化还原的微
生物，其全细胞催化立体选择性氧化还原反应能够
获得高光学纯度的手性羟基化合物。仅从生物催
化转化效率来看，直接利用含有立体选择性氧化还
原酶系的全细胞进行转化时，不需在反应中添加价
格昂贵的必需辅酶及其再生循环系统，使得操作更
加简便易行，转化效率较高，产品分离也较为容易。
表1 微生物不对称氧化还原转化手性化合物
Table1 Asymmetricoxidoreduetionofchiralcompoundsbymicroorganisms
A叫一acetylfuro[2，3-c]一pyridine；FPH--5一(1-hydroxyethyl)furo[2，3-c]-pyridine；
COBE—etllyl4-chloroacetoacetate；CHBE--ethyl4-cHow-3 hydroxybutyrate；PED--1-phenyl一1，2-ethanediol。
尽管不同的细菌、酵母和霉菌都表现出催化不
对称反应的功能，但彼此之间在底物专一性、对映
选择性以及转化效果等催化特性上又呈现出生物
多样性。这些差异在于细胞“黑箱”内功能性酶蛋
白的活性结构，与底物分子的结合状态，辅酶依赖
类型以及反应中底物和辅酶之间的电子传递方
式等。
1．2立体选择性氧化还原酶及其性质比较
广泛用于生物催化与生物转化的脱氢酶和还
原酶，几乎在所有的生物体中都有发现。目前，从
动物、植物和微生物中已经分离出约300种不同的
脱氢酶(PDB数据库)。同其他来源的酶相比，微生
物氧化还原酶易于从方便培养的微生物细胞中获
得，且具有广泛的生物多样性。不同来源的立体选
择性氧化还原酶在酶蛋白结构、相对分子质量大
小、亚基组成、活性中心构象、辅酶依赖性、激活剂
和抑制剂、稳定性以及最适作用pH和温度等方面
的性质都有所不同，而这些酶学性质的差异也恰恰
反映出不同氧化还原酶催化手性转化的反应方式、
底物专一性、产物构型、作用特点和转化效果等方
面的不同。表2显示了不同来源立体选择性氧化还
原酶的生物多样性，其在酶学性质和催化不对称反
应方面的区别和特征在一定程度上也限制了这些
氧化还原酶催化不对称反应的相对适用范围。
万方数据
·4· 生物加工过程 第6卷第2期
FDH--formatedehydrogenase；CR--carbonylredu tase；ADH--alcoholdehydr genase；AKR--aldo—ketoreductase；
ALDH--aldehydedehydrogenase；ALO--aldehydeoxidase。
随着越来越多的功能性蛋白以及未知功能的
序列的发现，基因数据库(GenBank)以及蛋白质数
据库(PDB)获得不断的丰富和发展。因此，直接利
用已有的数据库进行新型催化剂的开发也已逐渐
发展成为一种获得所需催化功能的酶蛋白并实现
目的转化的手段心8|。Yamamoto等Ⅲ3利用生物信
息学技术通过现有催化模式成功筛选fabG基因编
码的p—ketoacyl．ACPreductase，表达后的重组蛋白具
有还原COBE活性，其重组大肠杆菌不对称转化
COBE，得到高光学纯度的(．s)一CHBE。
1．3立体选择性氧化还原酶的基因工程与蛋白质
工程
随着基因重组技术的迅速发展，越来越多的氧
化还原酶基因通过克隆而获得，其功能结构、关键
催化位点及分子调节机理也逐渐为人们所了解和
认识。此外，将现有的立体选择性氧化还原酶进行
重组表达后，可以有效提高目的酶蛋白的水平，并
降低产生副反应的非催化功能性酶的消极影响，从
而提高不对称转化的催化效果。Yasohara等H叫将
NADPH一依赖型羰基还原酶s1在大肠杆菌中成功
表达后，其重组菌不对称转化COBE得到(5)-CH—
BE，产物浓度由出发野生菌的90g／L提高到
125g／L。除了单一表达功能性氧化还原酶外，为了
强化重组细胞中所需辅酶的循环，将催化转化的功
能酶(productionenzyme)与提供辅酶循环的再生酶
(generationenzyme)共表达已成为一种构建高效重
组菌全细胞催化体系的方式。Ernst等旧¨在同一重
组大肠杆菌中共表达(R)-专一性醇脱氢酶和
NAD+一依赖型甲酸脱氢酶，表达后的重组菌全细胞
可有效转化前手性羰基化合物得到光学纯的羟基
酸或酯衍生物，并且胞内[NADH]与[NAD+]比例
也比野生菌株提高了7倍。
定向进化(directedevolution)技术是对酶蛋白
基因进行随机突变，再通过高通量筛选(higll·
throughputscreening)方法获得目的突变株。因此，
除了采用适当的突变方法外，建立高效的筛选模型
将成为定向进化的关键p2。。目前，部分水解酶已成
功通过定向进化方法提高其立体选择性，如脂肪酶
等。然而，对氧化还原酶进行成功定向进化的实例
并不多，限制其发展的主要因素在于较难建立一种
有效的适用于氧化还原反应的高通量筛选模型。
当前所采用的一些方法仅仅是针对特定的底物或
产物，通过衍生化使目标化合物具有荧光或显色的
特性，而广泛适用于氧化还原酶的有效筛选模型尚
未有成功建立的报道[331。与定向进化的随机突变
相反，理性设计(rationaldesign)则是在已了解酶蛋
白立体构象和关键催化位点的基础上，通过针对性
的定点突变(site．directedmutagenesis)改变某些氨
基酸位点从而使酶获得新的特性Ⅲ1。Champreda
等【353通过研究烯烃单加氧酶与其耦联蛋白的相互
万方数据
2008年3月聂尧等：生物催化立体选择性氧化还原中存在问题及其发展策略 ·5·
作用，对该酶的立体和区域选择性进行了改造。
Morikawa等哺1通过定点突变与辅酶结合的关键氨
基酸，使羰基还原酶S1的辅酶依赖类型由NADPH
变为NADH，从而可利用NAD+一依赖型甲酸脱氢酶
构建方便有效的辅酶循环体系。
除了从筛选获得的已知微生物中分离纯化相
应的功能性立体选择性氧化还原酶，诸如定向进化
等现代分子生物技术和高通量筛选方法，结合基因
组学及生物信息学的巨大进步，使立体选择性生物
催化剂的功能开发与强化获得了显著的突破和进
展。从基因和功能水平深入开发新型立体选择性
氧化还原酶，以及通过克隆土壤宏基因组(metage．
nome)从非培养物中获得目的基因和功能的新策
略，将进一步扩充生物催化氧化还原的“工具库”，
从而提高氧化还原生物催化体系的适用性。 ，
2 立体选择性氧化还原生物催化反应方式与
体系 ．
2．1 生物催化立体选择性氧化还原反应方式
生物催化不对称氧化还原反应是直接针对目
的手陛产物，以立体选择性氧化还原酶或其全细胞
为媒介催化的有机合成反应，底物通常为非天然的
外消旋或潜手性化合物。除了酶的选择性、专一性
等局限性问题外，从反应角度出发，非天然底物或
产物的理化性质，如极性、溶解性等，及其对生物催
化剂产生的毒害和抑制作用等，也是影响生物催化
氧化还原反应效果的显著因素，而底物的选择又直
接关系到反应方式和途径的确定。
对于生物催化立体选择性氧化还原反应，针
对同一转化目标，通常存在3种主要反应方式：动
力学拆分(kineticresolution)、不对称转化(asym-
OH人
Rt R2
氧化酶
NADⅡ)+NAD(P)H
▲ ：
metricreaction)和去消旋化(deracemization)o以外
消旋体为底物的动力学拆分因其理论产率只有
50％而相对较少采用，而后两者以其反应高效性
而成为目前广泛采用的转化方式和策略口7l。其
中，不对称转化主要从潜手性羰基化合物出发通
过脱氢酶或羰基还原酶催化不对称还原获得光学
纯对映体产物，体系中羰基化合物的溶解性及其
所涉及的溶剂体系的选择和建立成为实现该反应
过程不可避免的一系列问题；去消旋化是从外消
旋底物出发通过多酶耦联体系实现两种对映异构
体向其中某一对映体的趋同性(enantioconvergent)
转化，外消旋醇类化合物中某一对映体被氧化酶
选择性氧化为相应的酮类化合物，继而被还原酶
不对称还原为构型相反的另一对映体，也就是通
过一个具有高度立体选择性的氧化酶和还原酶耦
合体系催化氧化还原耦联反应实现手性醇对映体
构型的反转(图2)。因此，高效、协调的双酶耦合
催化体系的组成和构建是生物催化立体异构反应
的决定因素ⅢJ。然而，自然界来源的天然耦合型
催化剂较为有限且催化选择性单一。多基因共表
达重组技术为多酶耦联催化体系中催化元件的选
择、构建、调控及理性组合提供平台，以获得高效
协调催化多元耦合反应的新型生物催化体系，该
策略不仅能够克服多细胞体系中生物催化剂耦合
所带来的传质困难，而且能够通过分子生物学手
段获得所需的新功能生物催化剂。
针对生物催化立体选择性氧化还原中反应路
线、方式和体系的设计和选择，要从转化终点的目
标产品和起点的底物的理化性质出发，将反应途径
的可行性和催化剂的特性两方面相结合衡量整体
反应的效果，从而确定切实有效的生物催化氧化还
原的整体反应思路。
还原酶
7—■一
cofactor-H2cofactor
▲
耦合体系内部辅酶循环
图2生物氧化还原催化手性醇立体异松反应
Fig．2Stereoinversionofch ndalcoholsbybiocatalyticoxidoreduction
八
万方数据
· 6 · 生物加工过程 第6卷第2期
2．2生物催化立体选择性氧化还原反应体系
根据底物和产物的性质，生物催化氧化还原
的反应介质组成主要可分为3种情况：水相、有机一
水双相、微水相或无水相。与水相反应相比，双相
体系中的有机相通常能够增加非天然有机底物或
产物的溶解性，从而部分解除底物或产物抑制。
此外，有机相反应可以在一定程度上减少副反应
的进行【39|。但与此同时，酶或细胞的生物催化活
性也会受到有机溶剂的影响，需要进行适当的处
理以维持其活性结构。维系有机反应体系中生物
催化剂稳定性主要在于保持酶蛋白空间构象以及
催化转化用细胞的生理活性。目前，除了通常采
用的固定化及化学修饰等方法外，赋形剂(exeipi—
ent)也广泛用于提高或调节酶蛋白的催化活性和
稳定性。当酶或细胞在微水或无水的有机相中催
化反应时，一般需要对催化剂进行赋形剂处理，例
如在冻干时加入非缓冲盐、冠醚或环糊精等，利用
PEG对酶进行分子印记(molecularimprinters)也可
以显著提高酶的催化活性ⅢJ。此外，固一固反应体
系，离子液等也被采用来提高反应体系中酶或细
胞的稳定性H卜4“。
通过原位吸附调节和控制反应体系中与酶或
细胞直接接触的底物和／或产物浓度可有效缓解高
浓度非天然底物和／或产物对酶或细胞的抑制作
用。根据该原理，具有不同吸附特性的树脂已用于
提高生物催化反应体系中的底物浓度及转化效率。
Zhao等【430通过在生物转化体系中添加树脂明显削
弱了产物抑制现象，有效提高了转化效率。除了通
过物理方法调节反应体系中底物和／或产物浓度以
降低其抑制作用外，从提高细胞自身对非天然底物
和／或产物的耐受性角度人手也可有效提高高浓度
底物和／或产物条件下生物催化的稳定性及反应效
果。deCarvalho等Ⅲ1通过考察微生物在高浓度底
物或产物的环境压力条件下的细胞活性，提出了有
机转化中细胞耐受性调节策略(celladaptation)，即
在高浓度底物或产物环境中孵育驯化微生物，能够
经受环境压力的细胞个体通常都具有较好的底物
或产物耐受性以及较高的催化效率。
采用赋形剂处理、添加树脂等简单、低成本的
方法可以在一定程度上有效提高生物催化剂的稳
定性和催化效率，但这些外部处理方法的使用具有
盲目性和局限性，并不能根本解决酶或细胞在有机
合成反应体系中的活性和稳定性问题。以孵育驯
化为手段的细胞耐受性调节策略从本质来说是一
种自然进化的筛选策略，这个思想对于细胞催化体
系具有一定的指导意义，但要根据催化目的对不同
特性的微生物进行具体的环境压力的选择和筛选
条件的设计，以在保持催化活性的同时提高细胞的
生理活性和稳定性。对于酶促反应体系，则需要从
处于非天然有机环境中的功能性酶蛋白的活性结
构状态出发，通过定向进化或定点突变等手段对酶
进行分子改造以提高酶的催化活性和稳定性，进而
探究在保持和提高酶的稳定性中起关键作用的氨
基酸位点m-。
3 立体选择性氧化还原必需辅酶及其再生
对于生物催化氧化还原反应，必需辅酶的再生循
环是一个不可避免的问题，直接关系到整个反应系统
的催化效果，并成为生物催化氧化还原实现产业化的
瓶颈因素，多年来许多研究者一直致力于生物氧化还
原辅酶再生平台技术的研究与开发。氧化还原酶需
要辅酶作为反应过程中氢或电子的传递体，常用辅酶
包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和烟酰胺腺嘌
呤二核苷酸磷酸(NADPH)及其氧化形式，少数氧化
还原酶以黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷
酸(FAD)作为辅酶。有效的辅酶再生方式不仅能够
降低转化的成本，而且可以简化产物分离、减少产物
抑制，并通过再生反应推动整个反应向着目的产物的
转化方向进行ⅢJ。目前，氧化还原酶的辅酶再生方
式主要包括：底物耦联(substrate．coupled)，酶耦联
(enzyme—coupled)，以及电化学或光化学法[42】。其
中，化学法因易形成污染物或易使辅酶形成二聚体而
使用较为有限，利用生物方法再生辅酶的主要方式如
表3所示。
除了以上各种直接针对不同辅酶外加或重组
构建再生系统进行辅酶循环的方法以外，根据微生
物自身的代谢特点，从代谢途径中可能积累所需辅
酶的角度出发，在反应中添加趋于产生所需辅酶代
谢途径的辅助底物，如葡萄糖m]、木糖【鹞1等，也可
有效地促进微生物全细胞内的辅酶再生循环，进而
有利于提高全细胞催化氧化还原的整体反应效果。
此外，通过人工合成还可得到各种辅酶的结构类似
物，这些辅酶类似物的合成较为便利且具有辅酶活
性，可部分的用于替代价格昂贵的辅酶参与氧化还
原反应‘钏。
万方数据
2008年3月聂尧等：生物催化立体选择性氧化还原中存在问题及其发展策略 ·7·
NADH
NADPH
NAD(P)+
底物耦联
酶耦联
酶．辅酶交联酶晶体
细胞内再生
酶耦联
细胞内再生
酶耦联
异丙醇、乙醇、葡萄糖、甲酸等
甲酸脱氢酶，葡萄糖脱氢酶，氢化酶
异丙醇
催化酶与再生酶共表达，葡萄糖，异丙醇，甲酸等
6．磷酸葡萄糖脱氢酶，6．磷酸葡萄糖酸脱氢酶，
改造的甲酸脱氢酶，转氢酶，氢化酶
催化酶与再生酶共表达，甲酸，6一磷酸葡萄糖等
NAD(P)H氧化酶，氢化酶
醇类底物对酶活有影响
外加再生酶和底物，有机溶剂敏感
高效，但研究较为有限
构建共表达系统
外加再生酶和底物，辅酶不稳定
构建共表达系统
用途较少，研究较为有限
对于依赖于辅酶的氧化还原酶，Burton等啪1在
关于理想生物催化剂的论述中曾指出，对于这种以
蛋白复合物形式发挥催化作用的酶，利用其纯化蛋
白进行催化并不可取，而以含有功能性酶的全细胞
参与催化反应则更为有效。因此，在不同的辅酶再
生方式中，通过基因工程手段将辅酶再生体系与催
化功能性酶重组构建于同一细胞中，以及根据代谢
工程利用适当辅助底物促进所需辅酶的胞内再生，
将成为生物催化氧化还原得以充分利用的有效手
段，对于其实现产业化应用具有重要意义。
4展望
围绕生物催化氧化还原体系的几点关键科学
技术问题并不是相互隔离的，是有着深入的内在联
系的。整体反应过程的实现取决于以下几个主要
因素：利用酶或细胞的生物催化剂，包括反应方式
和体系组成的反应工程，以及辅酶及其再生。其
中，生物催化剂根据目的产物和设计的反应路线而
筛选和获得，而生物催化剂的特性决定了反应方
式、反应介质和辅酶及其再生方式的选择；根据反
应途径和方式、底物的理化性质建立相应的反应介
质体系，而体系中的有机底物和介质又会影响生物
催化剂的活性和稳定性；就生物氧化还原整体而
言，体系稳定性及催化效果又是与辅酶再生循环密
不可分的(图3)。对于复杂的立体选择性氧化还原
生物催化体系，应根据整体反应体系和过程的具体
情况，首先明确反应中的限制性因素，进行反应过
程和体系中的关键点分析，进而寻求解决和克服关
键问题的方法和手段。
回
图3 氧化还原生物催化体系组成及相互关系
Fig．3Flowchartillustratingma factorsaffecting
asymmetricoxidoreduetionbybioeatalysts
对于生物氧化还原体系整体催化效果的改善
和提高，无论采用何种手段，如随机突变的定向进
化、定点突变的理性设计或从宏基因组出发的定向
筛选和基因重组技术，都需要将改造策略从单一性
质或功能的改善发展为多功能筛选(muhifunctional
screening)。以往的改造策略通常仅仅针对立体选
择性酶的某一缺陷或不足，如选择性、稳定性、辅酶
依赖性等，然而，某些酶学特性相互之间并不具有
很好的兼容性，如仅针对酶的稳定性的分子改造可
能会削弱其催化活性或选择性"1J。仅从改善单一
功能的角度出发突变酶蛋白结构中的某些氨基酸
位点有可能会对酶与底物作用的空间构象产生影
响，甚至会形成不良的负面效应。因此，从多功能
角度设计分子改造策略，并建立相应的多指标筛选
模型将是成功获得所需新型高效生物氧化还原催
化体系的关键御J。此外，从立体选择性氧化还原酶
蛋白结构与催化功能的关系出发，利用酶的分子改
造技术手段，不仅可以获得新的酶学性质和催化功
能而提高生物催化剂的实际应用价值，而且对改造
后的“新酶”进行序列和结构分析，还有助于发现某
万方数据
生物加工过程 第6卷第2期
些关键氨基酸位点与酶的性质和功能之间的关系，
从而有助于解释和证实酶与底物的作用机制及催
化立体选择性转化的分子机理。
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