1 酶及其合成应用：概述 1
1.1 引言 1
1.2 酶的分类 1
1.3 酶的发现及优化 2
1.4 酶的生产 2
1.5 酶在合成反应中的应用 3
1.5.1 酮还原酶（EC1.1.1.2） 3
1.5.2 烯醇还原酶或烯还原酶（EC1.3.1.16） 3
1.5.3 加氧酶（EC1.13．×．×．和EC1.14．×．×．） 4
1.5.4 醇氧化酶（EC1.1.3．×） 6
1.5.5 过氧化物酶（EC1.11.1．×） 6
1.5.6 卤化酶 6
1.5.7 腈水解酶（EC3.5.5.1） 7
1.5.8 腈水合酶（EC4.2.1.84） 8
1.5.9 环氧水解酶（EC3.3.2．×） 8
1.5.10 ω-转氨酶（EC2.6.1．×） 9
1.5.11 羟腈裂解酶（EC4.1.2．×） 9
1.5.12 醛缩酶 10
1.5.13 糖苷水解酶（EC．××××） 10
1.5.14 糖基转移酶（EC2.4．×．×） 12
1.6 本章小结 13
参考文献 13
2 用于酶发现与生产的表达宿主 19
2.1 引言 19
2.2 如何选择表达系统 20
2.3 原核表达系统 22
2.3.1 在原核生物中进行翻译后修饰 22
2.3.2 大肠杆菌 22
2.3.3 芽孢杆菌 24
2.3.4 荧光假单胞菌 25
2.3.5 其他原核表达系统 25
2.4 真核表达系统 26
2.4.1 酵母 27
2.4.2 丝状真菌 30
2.4.3 昆虫／杆状病毒系统 31
2.4.4 哺乳动物细胞培养 32
2.4.5 其他表达系统 33
2.5 无细胞表达系统 33
2.6 本章小结 35
参考文献 35
3 酶的定向进化和高通量筛选 46
3.1 引言 46
3.2 定向进化DNA文库创建的策略 47
3.2.1 随机突变和半理性设计突变 48
3.2.2 基因重组 49
3.3 定向进化DNA文库的筛选／选择方法 52
3.3.1 利用遗传互补进行体内检测 52
3.3.2 利用化学互补进行体内检测 53
3.3.3 利用表面展示进行体内检测 53
3.3.4 利用裂解液进行体外检测 55
3.3.5 利用核糖体展示进行体外检测 55
3.3.6 体外检测方法：体外区域化 55
3.3.7 仪器化和自动化 56
3.4 工业化应用案例 56
3.4.1 提高活性 56
3.4.2 提高热稳定性 58
3.4.3 改变底物专一性 58
3.4.4 改变产物专一性 59
3.4.5 提高对映选择性 59
3.5 结论和展望 60
参考文献 60
4 反应工程在工业生物转化中的应用 65
4.1 引言 65
4.2 代谢生物转化 66
4.3 酶促生物转化 66
4.3.1 辅助因子再生 67
4.3.2 外消旋化混合物 69
4.3.3 平衡转化率 72
4.3.4 副产物的形成 75
4.3.5 底物抑制 78
4.3.6 底物的低溶解性 81
4.4 本章小结 82
参考文献 84
5 利用羟腈裂解酶合成手性药物中间体 89
5.1 引言 89
5.2 羟腈裂解酶 89
5.2.1 羟腈裂解酶的天然功能和分布 89
5.2.2 羟腈裂解酶的分类 90
5.2.3 新型羟腈裂解酶和高通量筛选方法 93
5.3 羟腈裂解酶催化的反应 95
5.3.1 反应体系 95
5.3.2 酶的固定化 97
5.3.3 连续式反应器 97
5.3.4 亨利反应 98
5.4 氰醇的转化反应 99
5.4.1 羟基的转化 99
5.4.2 腈基／氰基的转化 99
5.4.3 分子内反应 102
5.5 本章小结 104
参考文献 105
6 醛缩酶作为有机合成工具的应用拓展 111
6.1 定向进化和理性突变 111
6.2 反应工程 114
6.3 野生型醛缩酶广泛的底物耐受性 115
6.4 本章小结 117
参考文献 117
7 酮还原酶和醇氧化酶的合成应用 120
7.1 酮还原酶 120
7.1.1 野生菌的整细胞催化 120
7.1.2 重组菌的整细胞催化 123
7.1.3 分离酶催化 127
7.2 醇氧化酶 138
7.2.1 伯醇氧化酶 138
7.2.2 仲醇氧化酶 141
参考文献 142
8 腈水合酶和腈水解酶的应用 150
8.1 引言 150
8.2 腈水合酶 150
8.2.1 新型腈水合酶 150
8.2.2 应用 150
8.3 腈水解酶 160
8.3.1 新型腈水解酶 160
8.3.2 应用 163
8.4 本章小结 173
参考文献 173
9 药物代谢产物的生物合成 179
9.1 引言 179
9.2 利用哺乳动物生物反应器合成药物代谢物 181
9.2.1 体外系统的选择 182
9.2.2 反应条件的优化 184
9.2.3 大规模反应 187
9.2.4 哺乳动物细胞生物反应器实例 188
9.2.5 体内转化实例 189
9.3 利用微生物反应器合成药物代谢物 190
9.3.1 用于代谢产物结构阐释的微生物反应器 190
9.3.2 用于关键代谢产物合成的微生物反应器 191
9.3.3 菌种的筛选 191
9.3.4 微生物的糖苷结合作用 194
9.3.5 大规模反应 195
9.3.6 利用微生物反应器合成药物代谢物实例 196
9.4 重组酶生物反应器 198
9.4.1 利用细胞色素P450单加氧酶合成药物代谢产物的优势 200
9.4.2 人类细胞色素生物催化剂 201
9.4.3 微生物细胞色素P450酶 201
9.5 本章小结 202
致谢 203
参考文献 203
10 整细胞生物转化在制药工业中的应用 209
10.1 引言 209
10.1.1 用于药物商品化生产的整细胞生物转化过程 209
10.1.2 整细胞生物转化用于合成手性药物中间体 210
10.2 整细胞生物转化相比于分离酶催化的劣势 212
10.2.1 低浓度条件下的底物利用及产物回收 212
10.2.2 发生不需要的副反应 212
10.2.3 底物和产物的细胞毒性 212
10.3 整细胞生物转化相比于分离酶催化的优势 212
10.3.1 比分离酶来源更稳定 213
10.3.2 辅酶再生和多酶协同反应 213
10.3.3 多样性和易获得性 213
10.3.4 使用非商业化可得的分离酶催化制备级合成反应 213
10.3.5 成本效应及操作便利性 214
10.4 克服整细胞生物转化劣势的方法 214
10.4.1 利用吸附树脂调控底物和产物的浓度 214
10.4.2 固定化细胞技术 215
10.4.3 水-有机溶剂两相体系 216
10.4.4 基因工程的方法 217
10.5 本章小结 218
参考文献 219
11 药用天然产物的组合生物合成 223
11.1 引言 223
11.2 组合生物合成：结构衍生的天然方法 224
11.3 药用天然产物的组合生物合成实例 227
11.3.1 红霉素（聚酮化合物的生物合成） 227
11.3.2 达托霉素（非核糖体聚肽的生物合成） 230
11.3.3 patellamide（核糖体聚肽的生物合成） 232
11.4 小结与展望 234
参考文献 235
12 代谢工程在药物开发和生产中的应用 241
12.1 引言 241
12.2 代谢工程的工具 242
12.2.1 细胞代谢网络分析工具 242
12.2.2 用于理性遗传改造的工具 244
12.3 聚酮类药物研发中的代谢工程调控 246
12.3.1 聚酮化合物的生物合成 246
12.3.2 利用代谢工程手段改进红霉素生产 246
12.3.3 利用代谢工程在异源宿主中高浓度生产6-脱氧红霉素内酯B 247
12.3.4 其他聚酮化合物生产中的代谢工程调控 249
12.3.5 新型聚酮类药物的研究进展 249
12.4 β-内酰胺生产中的代谢工程调控 250
12.5 类异戊二烯生产中的代谢工程调控 251
12.5.1 类异戊二烯的生物合成途径 252
12.5.2 通过代谢工程的调控增加异戊烯化合物合成前体的供应 252
12.5.3 青蒿素研发和生产中的代谢工程调控 254
12.5.4 类胡萝卜素生产中的代谢工程调控 254
12.5.5 紫杉醇研发和生产中的代谢工程调控 255
12.6 本章小结 258
参考文献 258
13 多模块合成酶和各组成模块用于化学转化反应 267
13.1 引言 267
13.2 背景 267
13.2.1 多模块合成酶的构造 267
13.2.2 天然产物生物合成周期 270
13.3 宏合酶的代谢工程 271
13.3.1 达托霉素：通过域交换进行代谢调控 271
13.3.2 阿维菌素：通过定向发酵进行代谢调控 274
13.4 用于化学转化的各个结构域 277
13.4.1 单个结构域的功能和结构域自主性 277
13.4.2 环化 277
13.4.3 卤化 280
13.4.4 杂环化／芳构化 281
13.4.5 甲基化 282
13.4.6 氧化 284
13.4.7 糖基化 285
13.5 本章小结 288
参考文献 288
14 生物催化剂生产药品中的绿色化学 294
14.1 引言 294
14.2 酶促拆分：更高得率，更少废物 297
14.3 生物还原：更绿色的配体，可再生的氢化物供体，无需金属 300
14.3.1 酶法氧化：清洁、高选择性和催化性 302
14.4 C-C键形成：最高的原子经济性 303
14.5 小结与展望 305
参考文献 305