【手性科学新技术 30.】
(30. 生物催化手性合成的研发方向）
生物催化的手性合成是由有有机化学、生物化学和微生物学等多学科交叉协同的研究领域。应用微生物或酶催化制备光学活性的化合物是非常有发展前景的技术方法。这一方法不仅可以得到纯度高、最大的产物，而且可以获得很多常规方法难于合成的包括手性医药、农药及其中间体在内的手性化合物，从而克服化学合成中的困难和不足。
生物催化手性合成的研究主要涉及生物催化剂的制备和反应介质的筛选两个方面。
（1）生物催化剂的研究进展：随着生物技术，特别是发酵工程、蛋白质工程和基因工程技术的发展和进步，生物催化剂工程运用发酵技术可以制备大量的生物催化剂，利用蛋白质工程和基因工程可以对现有生物催化剂的机构进行修饰改造、以获得所需求的活性和选择性来满足手性合成的要求。据统计资料，目前已有800多种商品化的酶，可供领域内的专家根据需要购买用于后续研究，也可采用基因工程的技术方法构建基因工程菌用于生物转化和发酵法制备手性有机化合物。
（2）生物催化介质工程的研究进展：介质工程主要是为生物催化过程提供理想的溶剂体系。主要通过选用不同结构类型和物理化学特性的反应介质改变酶与底物作用的微环境，达到对生物催化剂性能进行人工强化和定向调控的目的。与常规有机溶剂相比，非传统溶剂也能增强酶的溶剂耐受性，提高酶活、改善其对映体选择性。比如，对于很多疏水性很强的底物，由于 其在水溶液中几乎不溶而导致分散性很差。此时，加入少量表面活性剂即可显著改善底物分散状况，大幅度提高反应速率和选择率。最近离子液体的应用也提高了酶的长期稳定性，也促进了酶、辅因子和底物的同时溶解。为适应工业化生物催化的苛刻条件，近年来非水相生物催化与介质体系的研究取得了一定的成效。
（3）生物催化手性合成的研究展望：随着生物催化手性合成的工业化进展，在研发过程中暴露出来的主要问题有：①生物催化剂的来源和成本问题；②生物催化反应的立体选择性和转化效率问题；③辅酶依赖型氧化还原酶不对称生物催化反应中的酶催化与辅酶再生体系的偶联；④底物和产物的水溶性和本科在水中不稳定性等问题。
为针对性地解决这些问题，需要从以下几个方面作出努力：①对酶进行修饰以改变本科的催化特性，包括其在有机溶剂中的溶解性；②对脂肪酶进行化学修饰，包括连接醛类、PEG和酰亚胺酯，以改变酶的疏水性和空间构型，从而影响其活性、稳定性、对映选择性和在有机相中的溶解性。例如在酶蛋白的赖氨酸残基上连接疏水基团可以提高其在有机介质中的反应活性和稳定性；③基于蛋白质工程的酶的定向进化，提高酶在高底物浓度和有机溶剂体系中的催化活性；④酶固定化，提高其溶剂耐受性从而应用于非水相催化，特别是研究新型纳米固定化基质；⑤对广泛应用 于各类疏水性底物催化反应的传统非水相反应介质的有机溶剂，设定量化的绿色指标，降低底物和产物对反应的抑制作用和对催化剂的毒性；应用计算机方法进行溶剂筛选，考察生物相容性和环境相容性，提高非水相生物催化反应的安全性及绿色性；⑥离子液体是一种可设计性非水绿色试剂，环境友好，可以显著提高酶反应的活性，稳定性和选择性，是极具发展前景的热点之一；⑦超临界介质中酶催化作用研究，如致密气体介质中的生物催化，超临界CO2反应介质作为一种绿色替代溶剂具有一定的意义；⑧研究和发展高效的液-液两相萃取催化介质体系，例如反胶束系统、浊点系统、无机盐-水溶性高分子双水相系统等，以最大限度地提高系统的生物相容性、酶对高浓度底物/产物的耐受性以及在工业化运行操作中的寿命周期。研究表面活性剂，功能添加剂如含钠硅酸盐等使酶分子活性中心带有负电荷，有利于提高其催化活性。
丰都智愚河畔环境技术工作室
