吳堅平，楊立榮

(浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，杭州 310027)

由于日益嚴(yán)重的資源、能源和環(huán)境壓力，人類社會的可持續(xù)發(fā)展面臨前所未有的挑戰(zhàn)，促使傳統(tǒng)的化工、制藥、食品、材料等工業(yè)制造領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)必須發(fā)生根本性變革。生物制造提供了更好的技術(shù)選擇和解決方案，并已逐漸滲透到傳統(tǒng)制造業(yè)中，能夠減少能耗、物耗和污染物排放，大幅度降低生產(chǎn)成本，加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級，將推進“綠色制造”，發(fā)展綠色GDP［1］。手性化學(xué)品是傳統(tǒng)制造工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，具有高度選擇性的生物制造技術(shù)尤其適用于高光學(xué)純度化學(xué)品的制造過程，大力發(fā)展手性化學(xué)品生物制造技術(shù)，將為構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的和諧社會作出貢獻(xiàn)。

生物制造手性化學(xué)品是以生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)及信息學(xué)等學(xué)科的交叉為手段，以光學(xué)純化學(xué)品的高質(zhì)量合成為目標(biāo)，以快速、高效、高選擇性和綠色為特征，以蛋白結(jié)構(gòu)分析、分子生物學(xué)、合成生物學(xué)、化學(xué)合成和反應(yīng)工程學(xué)及系統(tǒng)工程理論等為技術(shù)手段，為手性化學(xué)品的清潔、高效、經(jīng)濟和快速生產(chǎn)提供創(chuàng)造性設(shè)計思想和新型科學(xué)方法。

1 發(fā)展手性化學(xué)品的生物制造符合國家重大需求

手性化學(xué)品廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、材料等領(lǐng)域，在國計民生中占據(jù)極其重要的地位。例如現(xiàn)在全世界已經(jīng)上市銷售的1 850種藥物中，手性藥物占1 045種，其中523種天然及非合成藥物中99%為手性藥物，1 327種合成藥物中手性藥物占40%［2］;世界上使用的2 000多種農(nóng)藥中，有25%是手性分子［3］;全球常用食品添加劑有5 000多種，其中很多重要品種，如氨基酸、乳酸、薄荷醇、酒石酸、三氯蔗糖等也都具有手性［4］;具有良好可降解性的生物材料替代傳統(tǒng)材料是新材料領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一，手性是生物材料的主要特征之一。

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和人口老齡化進程的加快，我國居民醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)需求量增加，作為全世界人口最多的國家，目前我國藥物市場居全球第7位，預(yù)計到2013年，中國藥物市場將達(dá)到700億美元，成為全球第三大市場［5］。我國又是一個農(nóng)業(yè)大國，為了保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進行，一系列農(nóng)用化學(xué)品如殺蟲劑、殺菌劑、昆蟲性信息素和植物生長調(diào)節(jié)劑等被廣泛使用，農(nóng)藥年需求量在30萬t左右。2009年我國食品工業(yè)總產(chǎn)值超過5萬億元，食品添加劑主要產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá)到586萬t以上。據(jù)中國科技部《2009中國生物技術(shù)發(fā)展報告》預(yù)計，2010～2015年中國在醫(yī)療材料、一次性包裝、日用品、無紡布等領(lǐng)域生物可降解材料需求量將超過450萬t，而目前每年可供的生物材料產(chǎn)量不超過10萬t。因此，研究、制造和使用光學(xué)純化學(xué)品，對于保障我國國民健康，保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

手性化學(xué)品的常用制造方法包括化學(xué)制造和生物制造，化學(xué)制造又包含有外消旋體拆分、手性源合成和不對稱化學(xué)催化合成等方法，各種方法的優(yōu)劣都非常明顯。目前在工業(yè)應(yīng)用中，物理和化學(xué)手性拆分工藝仍占主導(dǎo)地位，其次才是生物合成和不對稱化學(xué)催化。從單一手性對映體占所有產(chǎn)品比例來看，目前手性化學(xué)品制造技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對手性產(chǎn)品的需求。近年來，合成化學(xué)家發(fā)展了許多不對稱催化法，將潛手性或者非手性底物轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)品，這些發(fā)展對學(xué)術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)都產(chǎn)生了巨大的推動作用。

迄今為止，能完成最好的不對稱合成的無疑應(yīng)首推自然界中的酶。發(fā)展高效高選擇性的催化劑以期達(dá)到和酶一樣的催化效果，是從事不對稱催化的有機化學(xué)家所追求的目標(biāo)［6］。相比之下，生物制造最大的特點在于:所用的酶是一種天然的手性催化劑，對手性化合物具有高度專一性識別作用，因而能夠在溫和的反應(yīng)條件下實現(xiàn)化合物的高選擇性(化學(xué)、立體以及區(qū)域選擇性)轉(zhuǎn)化，尤其適用于高光學(xué)純度手性化學(xué)品的制造。生物制造因其無可比擬的選擇性為手性化學(xué)品制備提供了與眾不同的技術(shù)選擇和解決方案。在研的準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的化學(xué)品生物制造過程中，至少有88%為手性化學(xué)品［7］。

綜上所述，手性化學(xué)品影響著人類生活的各個方面，事關(guān)健康與環(huán)境等重要社會問題，發(fā)展生物制造手性化學(xué)品符合國家重大需求。

2 生物制造是實現(xiàn)手性化學(xué)品綠色制造的重要手段

目前，獲得手性化學(xué)品的主要方法仍然是通過化學(xué)合成，然后在反應(yīng)的最后階段對相應(yīng)的外消旋混合物進行拆分。以手性化學(xué)品為代表的精細(xì)化學(xué)品用途廣泛、附加值高、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大，直接服務(wù)于國民經(jīng)濟的諸多行業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域，但是存在著資源消耗大、能耗高、污染重的問題［8-9］。精細(xì)化率已成為衡量一個國家或地區(qū)化工發(fā)展水平的重要標(biāo)志，美國、西歐和日本等化學(xué)工業(yè)發(fā)達(dá)國家的精細(xì)化率已達(dá)到60% ～90%。例如德國CIBA公司作為精細(xì)化工的領(lǐng)先者，35%的銷售額來自半特種化學(xué)品，65%來自特種化學(xué)品。我國精細(xì)化工現(xiàn)已具有相當(dāng)規(guī)模，品種達(dá)30 000多種，生產(chǎn)能力近1 350萬t/a，年產(chǎn)值超過1 000億元，精細(xì)化率達(dá)到了40%，但與國外相比差距仍很大［8］。據(jù)統(tǒng)計，我國化學(xué)工業(yè)消費能源3.75億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費總量的15.2%。每年排放的工業(yè)廢水達(dá)60億t，占全國工業(yè)廢水排放總量的20%，其中精細(xì)化工占據(jù)了相當(dāng)大的比例。

為了更好地應(yīng)對資源、能源和環(huán)境壓力，維持生態(tài)和諧以及工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須對手性化學(xué)品的生產(chǎn)過程進行技術(shù)革新和創(chuàng)新，實現(xiàn)手性化學(xué)品的綠色制造。生物制造是依托微生物與酶進行的現(xiàn)代制造技術(shù)，為實現(xiàn)手性化學(xué)品綠色制造提供了極大空間，幾乎所有已知的有機反應(yīng)類型都能找到相應(yīng)的酶促反應(yīng)過程。和其他技術(shù)相比，生物制造具有其特有的優(yōu)勢［10］，如催化效率高，反應(yīng)條件溫和，可以避免諸如分解、異構(gòu)化、外消旋化及重排等副反應(yīng);酶由可再生生物質(zhì)資源制得，本身無毒且能在環(huán)境中完全降解;由于其所具有的高選擇性，不需要對活潑基團進行保護和脫保護等步驟，能夠大大減少反應(yīng)步驟;過程能耗低，設(shè)備腐蝕輕，生產(chǎn)安全性高，極好地符合了綠色化學(xué)原則［11］，正是人們所尋求的綠色化學(xué)過程。

隨著技術(shù)研究的快速發(fā)展和逐漸深入，生物制造已經(jīng)在手性化學(xué)品制造領(lǐng)域展現(xiàn)出過程綠色的優(yōu)勢［12］。以世界上第一個年銷售額超過100億美元的降血脂重磅炸彈藥物阿托伐他汀(立普妥)為例，在合成關(guān)鍵手性中間體(R)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯時，原有化學(xué)合成路線在較高的溫度和堿性條件(80℃、pH 10)下進行，會產(chǎn)生較多與產(chǎn)物沸點很接近的高沸副產(chǎn)物，需要通過高真空精餾進行分離精制，整個過程收率受到嚴(yán)重影響。Codexis公司開發(fā)的兩步三酶法新路線反應(yīng)條件溫和(40℃、pH 7)，催化效率很高，生物制造過程中還原反應(yīng)的體積產(chǎn)率提高近100倍，氰化反應(yīng)效率提高近4 000倍。副產(chǎn)物、廢料量、溶劑用量和能耗均顯著減少，廢棄污染物易于進行生化處理，且不需要使用重金屬催化劑和精制設(shè)備，更加快速、安全、高效和環(huán)境友好［13］，反應(yīng)步驟和分離步驟均有所減少，總收率提高 50%，具有較高的“步驟經(jīng)濟性”(stepeconomic)。這一技術(shù)獲得了2006年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎。

因此，通過技術(shù)創(chuàng)新，充分發(fā)揮生物制造固有的優(yōu)勢，發(fā)展手性化學(xué)品的生物制造技術(shù)，顯著提高工藝集成度，大幅度減少合成步驟和復(fù)雜性，降低分離純化難度，提高原子經(jīng)濟性和過程收率，并顯著降低過程的資源能源消耗、污染排放，實現(xiàn)綠色制造，將成為我國手性化學(xué)品制造業(yè)快速、可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

3 國外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 生物制造手性化學(xué)品已成為世界各國重點研究的戰(zhàn)略方向

目前，生物制造手性化學(xué)品已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家的重要科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，并受到世界各國的廣泛關(guān)注。全世界已有5%的化工產(chǎn)品涉及生物制造，其中大部分過程均和手性化學(xué)品有關(guān)。據(jù)經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)估計，這一比例到2030年可能達(dá)到35%［14］。美國國家科學(xué)研究委員會、工程技術(shù)委員會、制造與工程設(shè)計院編寫的《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)的展望》明確提出“生物制造(Biotechnology for Manufacturing)”為戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，將其列為11個主要方向之一。歐盟專門制訂了工業(yè)生物技術(shù)計劃，預(yù)計到2010年，工業(yè)生物技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品將占?xì)W盟整個化學(xué)品產(chǎn)值的10%～20%［15］。歐盟科技發(fā)展委員會及其各國應(yīng)用科學(xué)委員會在工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域中都重點支持發(fā)展手性化學(xué)品的生物制造技術(shù)，在2004年“工業(yè)生物技術(shù)與化學(xué)持續(xù)發(fā)展”的報告中指出，手性化學(xué)品的生物制造技術(shù)將大大推動手性化學(xué)品在藥物、農(nóng)藥和材料工業(yè)中的應(yīng)用。日本學(xué)術(shù)振興會在未來開拓學(xué)術(shù)研究推進事業(yè)中專門設(shè)立了“生命科學(xué)與化學(xué)手法融合進行新的有用物質(zhì)生產(chǎn)”的專題，投入3.65億日元。目前，在多個手性中間體的制造中已經(jīng)取得成功。

生物制造手性化學(xué)品已經(jīng)成為各大跨國公司發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。在歐美發(fā)達(dá)國家，生物制造技術(shù)已逐漸應(yīng)用于手性化學(xué)品的規(guī)?；a(chǎn)，開始進入包括手性藥物、手性精細(xì)化學(xué)品和手性材料在內(nèi)的很多領(lǐng)域。德國BASF是世界領(lǐng)先的化學(xué)公司之一，已經(jīng)在生物制造手性中間體方面形成了自己的研發(fā)實力和核心技術(shù)，其產(chǎn)品包括手性胺、醇、酸衍生物，生產(chǎn)規(guī)模從幾噸到數(shù)千噸。由BASF公司開發(fā)的VB2生物轉(zhuǎn)化過程替代了原有的8步化學(xué)過程，廢水排放減少66%，廢氣排放減少50%，成本降低了 50%，目前全球產(chǎn)量已超過 8 000 t/a［16］。Degussa公司精細(xì)化學(xué)品部集中生產(chǎn)手性化學(xué)品，通過生物法及化學(xué)法和酶法結(jié)合生產(chǎn)多種手性氨基酸、手性藥物中間體和活性藥物成分，通過多年研究，開發(fā)了生物法制備手性化學(xué)品的多項關(guān)鍵技術(shù)。Degussa公司已經(jīng)通過創(chuàng)建含有亮氨酸脫氫酶和FDH的細(xì)胞系統(tǒng)，利用甲酸銨鹽作為共底物催化還原氨基化，大量生產(chǎn)L-新戊甘氨酸，對映體選擇性超過99%，轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%以上［17］。BioVerdant生物技術(shù)公司致力于從手性產(chǎn)品設(shè)計路線上就考慮化學(xué)過程和酶過程的組合，已經(jīng)成功改進了數(shù)種產(chǎn)品的生產(chǎn)路線，提高了生產(chǎn)效率［18］。在抗癲癇藥普瑞巴林的合成中，改進后的生物制造工藝和現(xiàn)有化學(xué)合成路線相比，溶劑使用量和原材料消耗量顯著降低，以現(xiàn)在產(chǎn)量計算，每年可以減少甲醇、乙醇和異丙醇的用量總計達(dá)4萬t，減少四氫呋喃用量1萬t，同時還能夠使S 扁桃酸和鎳的用量分別減少1 600 t和500 t，消旋原料的消耗也減少了800 t［19］，這一成果榮獲了2006年歐洲最高綠色化學(xué)獎(2006 IChemE AwardinGreenChemistryand Engineering)。

3.2 現(xiàn)代生物技術(shù)的進步是生物制造手性化學(xué)品快速發(fā)展的新驅(qū)動力

蛋白結(jié)構(gòu)分析、生物信息學(xué)和分子模擬等技術(shù)的新發(fā)展為解析生物催化劑的手性識別機制奠定了基礎(chǔ)。最近在生物技術(shù)方面取得的突破性進展，如公共基因數(shù)據(jù)庫(GenBank)和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(PDB)中序列的指數(shù)增長，以及生物物理學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、計算生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、重組蛋白表達(dá)、高通量篩選、DNA測序以及酶定向進化和表達(dá)平臺的建立，為高效快速開發(fā)適合目標(biāo)反應(yīng)的新酶提供了便利［10］，大大推動了立體選擇性酶不對稱合成手性化合物的分子催化機制研究，基于此，在提高酶蛋白的選擇性、活性、穩(wěn)定性等方面獲得了較大的進展，成為國際研究熱點?？茖W(xué)家正通過蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)手段(X線衍射晶體學(xué)或核磁共振)直接從立體選擇性酶的高級結(jié)構(gòu)出發(fā)，嘗試解析酶蛋白分子及其結(jié)合底物分子復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)酶蛋白分子的關(guān)鍵功能域，如催化活性中心、底物結(jié)合域等及其與小分子空間嵌合的不對稱結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，并已取得一定進展。但是因為生物反應(yīng)體系的復(fù)雜性，導(dǎo)致酶、輔酶和底物的復(fù)合體系的結(jié)晶與結(jié)構(gòu)解析尚具有較大的難度。通過上述技術(shù)手段，已對氧化還原酶活性中心關(guān)鍵位點的作用機制形成一些規(guī)律性的解釋，如短鏈脫氫/還原酶(SDR)催化關(guān)鍵位點Asn-Ser-Tyr-Lys中Tyr起催化基的作用，Ser穩(wěn)定羰基底物，Lys與輔酶作用，而Asn通過水分子結(jié)合Lys活性位點，通過這種方式關(guān)鍵氨基酸與輔酶以及水分子形成了有機協(xié)調(diào)的電子傳遞系統(tǒng)［20］。目前，僅有少數(shù)幾種立體選擇性酶及其底物/輔酶復(fù)合物獲得了結(jié)構(gòu)解析，發(fā)現(xiàn)了酶的關(guān)鍵催化位點并從分子水平解釋了酶催化不對稱反應(yīng)的作用機制［18］。根據(jù)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中已有蛋白高級結(jié)構(gòu)模型，通過可視化分子模型擬合分析和蛋白質(zhì)工程分子改造手段，能夠有效研究酶蛋白結(jié)構(gòu)中與生理生化性質(zhì)和催化功能密切相關(guān)的功能域中關(guān)鍵氨基酸位點及其空間構(gòu)象與底物分子的識別和相互作用關(guān)系，進行催化功能底物譜預(yù)測并用于高通量靶向篩選。Heuvel等［21］揭示了酶蛋白結(jié)構(gòu)上的微小改變即可導(dǎo)致其催化功能的顯著變化。Zhu等［22］通過酶蛋白-底物嵌合模型擬合和定點突變分析，預(yù)測受體分子結(jié)合域、輔酶結(jié)合位點以及底物結(jié)合疏水通道，并通過飽和定點突變發(fā)現(xiàn)了對于決定酶的對映選擇性具有關(guān)鍵作用的位點。

合成生物學(xué)、計算生物學(xué)和生物反應(yīng)熱/動力學(xué)的新成果為實現(xiàn)生物合成反應(yīng)的設(shè)計與調(diào)控提供可能。利用合成生物學(xué)原理在易進行基因操作的宿主微生物中異源表達(dá)整個或部分生物合成途徑已經(jīng)成為越來越普遍的方法，這一技術(shù)能夠有效應(yīng)用于手性生物合成反應(yīng)體系設(shè)計及其構(gòu)建，并且所開發(fā)的生物催化劑可用作催化類似反應(yīng)的平臺催化劑和反應(yīng)模塊，所合成一系列產(chǎn)品可作為手性砌塊使用［23］。Keasling關(guān)于合成抗瘧疾藥物青蒿素的研究成果是合成生物學(xué)的經(jīng)典之作。經(jīng)過不懈的努力，成功實現(xiàn)了來自細(xì)菌、酵母與青蒿(高等真核生物)多種基因及生物合成途徑的設(shè)計組裝與精密調(diào)控，使得用大腸桿菌及酵母細(xì)胞合成青蒿素前體——青蒿酸的能力有幾個數(shù)量級的提高［24］。

針對外在因素如何影響酶促反應(yīng)過程以及如何實現(xiàn)過程的有效調(diào)控等問題，國內(nèi)外也開展了不少相關(guān)的研究。熱力學(xué)數(shù)據(jù)對于預(yù)測酶促反應(yīng)可行性和平衡位置起著重要作用。Goldberg針對生物技術(shù)領(lǐng)域需要計算反應(yīng)能量消耗和優(yōu)化反應(yīng)得率的要求，創(chuàng)建了一個較為完整的酶催化反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(http:∥xpdb.nist.gov/enzyme_thermodynamics/)，涵蓋了1 206種反應(yīng)物和518種酶。但是目前該數(shù)據(jù)庫收集的反應(yīng)主要涉及天然底物，針對非天然底物的手性合成反應(yīng)方面的數(shù)據(jù)還很少。近年來，通過模擬方法能夠了解催化過程的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，探明某一具體殘基對酶反應(yīng)的影響機制，建立外在因素對酶反應(yīng)的關(guān)聯(lián)模型。例如可以通過量子力學(xué)/連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計算典型催化三聯(lián)體SER-HIS-ASP與乙醇或乙腈分子的相互作用，揭示質(zhì)子溶劑和疏質(zhì)子溶劑對過渡態(tài)穩(wěn)定性的不同影響，從而為催化介質(zhì)的選擇提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，人們開始應(yīng)用熱力學(xué)計算和計算生物學(xué)等手段提高酶促反應(yīng)的效率，出現(xiàn)了一些成功的案例。Fesko等［25］計算了4種蘇氨酸醛縮酶催化不同對映體的活化能，發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)限速步驟，為從熱力學(xué)和動力學(xué)角度調(diào)控苯甲醛和甘氨酸的醛縮反應(yīng)奠定了理論基礎(chǔ)。Magnusson等［26］通過生物物理手段理性設(shè)計了酶的結(jié)構(gòu)，并通過熱力學(xué)分析指出對映選擇性隨著溫度的增加而提高。這些成功的案例引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注，也引發(fā)了酶促反應(yīng)理性調(diào)控研究的熱潮。

多酶耦合、化學(xué) 酶法協(xié)同催化以及過程工程集成、優(yōu)化與調(diào)控的新技術(shù)為設(shè)計和構(gòu)建手性生物制造系統(tǒng)提供借鑒。最近，利用2種及以上的生物催化劑來對先導(dǎo)化合物進行高效、連續(xù)結(jié)構(gòu)修飾的組合生物催化技術(shù)也正在國際上興起，這一技術(shù)能夠快速產(chǎn)生大量的衍生物分子庫來進行高通量篩選。在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的手性化學(xué)品合成中，通過生物合成與化學(xué)合成的有機結(jié)合，充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢，由此形成了化學(xué)-酶法技術(shù)，體現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。Burda等［27］通過集成耦聯(lián)反應(yīng)和乙醇脫氫酶不對稱還原開發(fā)了手性聯(lián)芳醇的合成工藝，轉(zhuǎn)化率可達(dá)91%，e.e.值高達(dá)99%，解決了化學(xué)催化和生物催化的相容性。Baer等［28］開發(fā)了不對稱化學(xué)催化-生物催化反應(yīng)模塊化組合，高效合成了4種光學(xué)純1，3 -二醇立體異構(gòu)體，而且有機合成的反應(yīng)液與后續(xù)的酶還原反應(yīng)相容。此外，在反應(yīng)工程、過程工程和集成研究方面也取得了大量成果，如開發(fā)了自動化高通量微濾實現(xiàn)原位底物流加和產(chǎn)物回收、樹脂原位吸附等反應(yīng)分離耦合技術(shù)［29］，已經(jīng)成功用于環(huán)戊酮單氧酶催化的Baeyer-Villiger反應(yīng)。因此，生物制造系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和改造技術(shù)以及過程工程的進步和發(fā)展，為手性化學(xué)品生物制造以及工業(yè)化生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀和進展

我國發(fā)展生物制造手性化學(xué)品的最大推動力來自于保障國民健康和保護生態(tài)環(huán)境的迫切需求。為了提升相關(guān)技術(shù)的原始創(chuàng)新能力，我國許多大學(xué)和研究機構(gòu)在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面開展了大量工作，已取得許多可喜成果，如生物法生產(chǎn)D-泛酸及D -泛醇的產(chǎn)量已達(dá)5 000 t/a，居世界第一(該技術(shù)獲得了國家技術(shù)發(fā)明二等獎)。此外，在生物合成機制研究、生物反應(yīng)模型構(gòu)建、生物制造系統(tǒng)構(gòu)建及調(diào)控、優(yōu)化等方面，盡管是處于起步階段，進展卻非常迅速。

目前，國內(nèi)研究人員圍繞手性生物制造的分子機制、手性生物合成反應(yīng)的調(diào)控機制和手性生物制造系統(tǒng)的設(shè)計原理與方法等進行了大量卓有成效的研究工作。在手性識別規(guī)律解析、生物催化劑理性設(shè)計、反應(yīng)調(diào)控、典型生物制造過程重構(gòu)等方面取得了較大進展。

以環(huán)氧水解酶、羰基還原酶、醛縮酶等手性生物催化劑為研究重點，解析酶蛋白及其與手性分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。羰基還原酶是手性合成中的重要酶類，通過同源建模、分子對接與空間構(gòu)象分析的手段，發(fā)現(xiàn)了立體專一性羰基還原酶中對酶的底物專一性和立體選擇性具有影響作用的新的催化位點，在國際上處于領(lǐng)先地位;揭示了底物通道識別、輔酶空間位阻、分子手性識別等分子互作機制;在揭示生物催化劑與手性小分子的選擇性識別規(guī)律和作用機制基礎(chǔ)上，研究典型酶蛋白(如醇脫氫酶、羰基還原酶、脂肪酶等)與環(huán)境的互作對三維結(jié)構(gòu)的影響，闡述酶蛋白分子中與手性底物相互作用的微觀結(jié)構(gòu)，采用理性與半理性技術(shù)設(shè)計酶分子改造策略，對目標(biāo)酶分子進行定點突變，基于蛋白分子活性表達(dá)獲得具有目的催化功能的生物催化劑突變體，構(gòu)建醇脫氫酶、羰基還原酶、脂肪酶等生物催化劑庫及其突變體庫，提高蛋白分子的適用性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)手性生物催化劑的功能強化［30-32］。構(gòu)建了水解拆分、不對稱還原、C—C縮合等單元反應(yīng)，針對醇脫氫酶催化不對稱還原過程展開了溶液體系中酶微觀構(gòu)象影響機制的譜學(xué)研究;通過熱/動力學(xué)分析研究了外在因素對醇解反應(yīng)對映選擇性的影響規(guī)律，初步實現(xiàn)了單元反應(yīng)的理性調(diào)控［33］。設(shè)計并初步構(gòu)建了手性砌塊庫、反應(yīng)模塊庫和對接技術(shù)，包括合理組裝不同的生物轉(zhuǎn)化過程和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程構(gòu)建酶化學(xué)級聯(lián)反應(yīng)模塊庫;基于手性識別機制，利用蛋白質(zhì)工程理性設(shè)計與分子改造技術(shù)，開發(fā)系列結(jié)構(gòu)可調(diào)、功能改進的工業(yè)酶，拓展其過程適應(yīng)性，強化反應(yīng)相容性，構(gòu)建多酶反應(yīng)模塊庫［34-37］;構(gòu)建手性醇、手性酸以及多反應(yīng)基團化合物鹵代醇、鹵代酸等系列手性砌塊庫。在此基礎(chǔ)上，采用官能團、手性中心、有效前體等拆分策略，基于手性化學(xué)品逆合成分析方法構(gòu)建手性化學(xué)品合成路線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)掘關(guān)鍵合成節(jié)點((S )-環(huán)氧氯丙烷、(S)-4-氯-3 -羥基丁酸乙酯、(R)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯、6-氰基-(3R，5R)-二羥基己酸叔丁酯、(R-)1，3-丁二醇、(2S)-苯甲酰胺甲基-(3R)-羥基丁酸甲酯等)，運用模塊化組裝策略，以大宗化學(xué)品為原料，以羰基還原酶、葡萄糖脫氫酶、鹵醇脫鹵酶、環(huán)氧水解酶、腈水解酶為主要元件的反應(yīng)模塊為工具，實現(xiàn)了典型手性化學(xué)品阿托伐他汀、美羅培南生物制造過程重構(gòu)。

總體來說，目前我國的手性化學(xué)品生物制造技術(shù)在原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新性研究兩方面與世界先進水平仍有較大差距，還缺乏系統(tǒng)的技術(shù)平臺和設(shè)計理論體系，尚不能為建設(shè)重要手性化學(xué)品的先進綠色生物制造產(chǎn)業(yè)提供全面的技術(shù)支撐。

5 生物制造手性化學(xué)品的主要發(fā)展方向和趨勢

目前國內(nèi)外關(guān)于生物制造手性化學(xué)品的研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，但還沒有形成完整的理論體系，未來的研究將主要從以下幾個方向展開:①高選擇性生物催化劑的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。生物學(xué)科在研究手段和分子層次模擬上取得的進步，為研究人員基于分子生物學(xué)實驗方法和生物信息學(xué)計算過程揭示生物制造中立體選擇性實現(xiàn)的分子機制并進行有效調(diào)控提供了技術(shù)保障;在此基礎(chǔ)上，能夠利用已知的酶種，進一步探討其在各種立體選擇性反應(yīng)中的新應(yīng)用，發(fā)展新的反應(yīng)類型;從分子結(jié)構(gòu)水平研究和模擬酶選擇性實現(xiàn)的蛋白三維結(jié)構(gòu)，進而理性設(shè)計并高效、快速開發(fā)高選擇性生物催化劑。②手性生物合成反應(yīng)過程的研究。當(dāng)前可供選擇的手性生物合成途徑十分有限，導(dǎo)致生物合成固有的高效率未能發(fā)揮應(yīng)有的效果。對基元生物反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)體系進行熱力學(xué)和動力學(xué)研究，可為手性化學(xué)品生物制造的最優(yōu)路線設(shè)計提供相關(guān)基元生物反應(yīng)的基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。日益豐富的手性生物合成反應(yīng)信息庫為開發(fā)手性基元生物反應(yīng)提供了物質(zhì)保障，可通過生物信息學(xué)理論模擬和定點突變等手段提高酶在工業(yè)環(huán)境中的選擇性，拓展生物催化劑工業(yè)生產(chǎn)手性化學(xué)品的應(yīng)用;或者通過對底物的結(jié)構(gòu)作局部修飾與調(diào)整，使其更加適合于特定生物制造體系，提高手性合成反應(yīng)的效率。③生物制造體系的系統(tǒng)性研究。目前單純著眼于局部反應(yīng)步驟效率的研究方法使各單元反應(yīng)不能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，由于缺乏相關(guān)的技術(shù)平臺和工程科學(xué)方法，無法實現(xiàn)有效組合。因此，從系統(tǒng)層面出發(fā)，考慮產(chǎn)品合成路線，充分發(fā)揮生物制造和化學(xué)合成的優(yōu)勢，整合化學(xué)和生物過程，結(jié)合過程調(diào)控和集成技術(shù)，提高化學(xué)品生產(chǎn)體系效率［10］;建立過程組合、評估和重構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，快速評價合成過程的綜合效率，這樣一種整體設(shè)計理念也已受到越來越廣泛的關(guān)注。

隨著我國人口健康和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，生物制造手性化學(xué)品的重大意義愈發(fā)明顯，特別是基礎(chǔ)研究顯得尤為緊迫。我國如能針對上述幾個重要問題進行深入研究并取得重大突破，就能夠在激烈的國際競爭中占據(jù)先機，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)和過程革新等應(yīng)用研究奠定堅實的理論基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)生物制造手性化學(xué)品的廣泛工業(yè)應(yīng)用。

6 展望

當(dāng)前，我國制造業(yè)正面臨許多重大挑戰(zhàn)及關(guān)鍵發(fā)展機遇。生物制造手性化學(xué)品不僅可以滿足國家對手性化學(xué)品的需求，而且可以促進我國傳統(tǒng)化工行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和可持續(xù)發(fā)展，打破國外專利封鎖，打造節(jié)能減排降耗的清潔化工制造業(yè)。因此，積極開展生物制造手性化學(xué)品的基礎(chǔ)研究符合我國國情和國家發(fā)展目標(biāo)，是非常迫切和重要的。國內(nèi)隊伍團結(jié)、手段齊全，相關(guān)技術(shù)已有一定積累，和國際交流密切，進行多學(xué)科交叉研究的時機已經(jīng)成熟，具備了實現(xiàn)創(chuàng)新跨越的潛力。面對發(fā)展生物制造手性化學(xué)品的極好機遇，在與發(fā)達(dá)國家處在相近的起跑線上，我國應(yīng)全局性、戰(zhàn)略性地選擇重大科技方向，發(fā)揮我國現(xiàn)有的資源優(yōu)勢、政治優(yōu)勢，在新世紀(jì)國際競爭中取得領(lǐng)先地位。

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