文档介绍：生物催化工程第三次浪潮
过去十年里，由于科技进步，无论是实验室还是工业规模都已拟定用品实用性并且环保生物催化来代替化学合成中老式金属催化和有机催化。DNA测序以及基因合成核心进展是基于剪切生物催化剂通过蛋白质工程和设计，及将酶整合入新生物合成途径能力获得巨大进步。为了突出这些成就，在此咱们讨论了以酶催化作为核心环节，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范畴。
生物催化是对合成化学中微生物和酶应用，作为自然界催化用于新目：酶应用尚未涉及到[1-5]。通过几次技术研究创新浪潮，当前生物催化领域已达到其公司成熟水平。
图1酶发现进程及用于拟定所需催化剂蛋白质工程方略
理性设计（b）基于蛋白构造（a）或是同源模建辨认不同突变位点，而随机突变（c）与筛选或是选取结合是定向进化实验基本。结合这些办法使构建更小型但更智能数据库（d）成为也许。当前通过富集培养（e）对酶进行老式筛选已被核心主题数据库检索（f）代替以指引新型酶或是她们具备所需特性拟定。在其初期仍是酶设计（g）从头计算（从头合成de novo）。内部构造指是通过生物催化不同浪潮可得到进行化学物质。（R)-苯乙醇***（左）在1前植物提取物中已经获得；（1S,3S)-3-氨基环己醇（中）由Novartis公司运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用一种设计醛缩酶耐受高浓度乙醛并且获得高选取性过程制。
生物催化第一次浪潮（图1），始于一种多世纪此前，科学家结识到活细胞构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发酵过程）。例如，Rosenthaler运用一种植物提取物从苯甲醛和***化氢合成（R)-苯乙醇***[6]；发生在微生物细胞内类固醇羟化[7]也已知。较新例子即洗衣粉中蛋白酶运用[8]。葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为更甜味果糖[9]，青霉素G酰基转移酶制备半合成抗体[10]。这些应用核心挑战在于生物催化剂稳定性限制及诸如此类缺陷重要通过酶固定化来克服，这也有助于酶重复运用。
生物催化第二次浪潮，在20世纪80到90年代，最初蛋白质动力学技术，代表性即基于构造技术，扩大了酶底物范畴以容许异常合成中间产物合成。这一变化将生物催化扩展到医药中间体和精细化学品制备。实例涉及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（此类***类水合酶已在紫红红球菌全细胞中获得）。除固定化之外，当前挑战涉及优化用于非天然底物催化剂。
现阶段，生物催化第三大浪潮开始于20世纪九十年代中后期Pim Stemmer 和Frances Arnold工作。她们首创了分子生物学办法，通过达尔文进化论体外实验迅速大量地修饰催化剂。尽管这一术语于1972年全细胞实验中曾被用过，当前这一办法普通称为定向进化，这一技术最初办法涉及到在一种蛋白质中氨基酸随机突变迭代循环法，随后从酶稳定性提高，底物特异性以及相应选取性突变体形成库中筛选法。讨论到此，此后发展已经集中于提高定向进化效率以产生“更智能地
”数据库。工业生物催化重要集中于水解酶，某些***还原酶（KREDs），以及辅因子再生和在有机溶剂中蛋白质稳定性研究。在某些状况下，优化代谢途径；例如，融合不同自然界菌株基因于一种新宿主细胞以产生1,3-丙二醇（形成多聚体单体），使得将甘油转变为更易被运用原料葡萄糖成为也许。
由于当前生物催化浪潮获得进展，将酶设计成引人瞩目新功能，例如接受之前惰性基质（孟鲁司特KRED或是西她列汀转氨酶），或是变化形成产物性质（萜环化酶突变体可作用于不同萜烯或是氨基酸代谢物使醇类作为生物燃料）。如今需要新型酶将生物量转换为第二或第三代生物燃料，材料和化学品。第三大浪潮重要发展是先进酶工程（涉及定向进化），基因合成，序列分析，生物信息工具和计算机模仿，并且酶改进理论进展也许比本来预期要更明显。工程酶可以在具有60uC有机溶剂溶液中保持稳定，可以接受新底物以及催化新非天然反映。当前这一工程也许需要几种月，这样大大扩展潜在应用。过去，设计酶化过程受到酶限制；当前，酶设计逐渐适应工艺规范。
大概十年前，《Nature》和《Science》文献综述了第一次和第二次生物催化浪潮，提出了也许带来第三次浪潮提示。现今及时评估第三次浪潮影响及推测将来十年也许带来什么进展（框1）。尽管生物催化涉及到代谢工程和合成生物学，但这些综述重点是针对酶法和全细胞反映。
框1 生物催化应用规定及实例
老式生物催化，天然产物采用自然反映和途径转变成其她天然产物。技术规