基于定量结构与活性分析非水相生物催化不对称还原反应环境毒性与生物稳定性的研究

针对非水体系中生物催化不对称还原反应存在的底物浓度低、生物催化剂稳定性差等限制其工业应用的核心问题，运用量化参数进行非天然溶剂分子、有机底(产)物分子定量结构与生物催化剂细胞活性及催化效率进行定性定量分析，在建立相关模型的基础上通过底物修饰工程和多相溶剂工程降低生物转化反应外部毒性；针对全细胞生物催化剂，采用定向改造和多基因共表达技术在具有较高非水环境耐受性的宿主细胞内，将改造获得的对高浓度有机底(产)物分子毒性耐受性的关键氧化还原酶基因与酶偶联法高效再生辅酶的葡萄糖脱氢酶系统表达，从生物转化反应的源头提高生物催化剂的稳定；通过反应过程过程优化研究，实现非水反应体系中生物催化不对称还原制备手性醇的高效稳定运行；阐述生物转化过程中有机化合物与微生物细胞之间的毒性机理，理性构建反应途径和环境，为其工业化应用奠定应用基础。

利用生物催化不对称还原潜手性羰基化合物制备手性醇类因其具有化学法无可比拟的高立体选择性、生物拆分法不可企及的100%的理论得率以及底物成本低廉、反应条件温和等优点，近年来受到了广泛的研究和关注。但由于受高效生物催化剂匮乏、反应过程中环境因子影响、底(产)物抑制和毒害等因素的限制，生物催化不对称还原反应的催化效率和生产强度往往较低，应用于工业化生产的并不多。本项目针对生物催化不对称还原反应存在的底物浓度低、生物催化剂稳定性差等限制其工业应用的核心问题，以生物法不对称合成4-氯-3-羰基丁酸乙酯(COBE)制备他汀类药物重要合成前体(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(CHBE)为模式反应，从细胞水平和酶分子水平分别构建了转化体系，并通过反应介质、底产物对生物催化剂催化特性的影响研究，寻找出限制性因子。利用采用分子生物学和基因工程手段建立关键氧化还原酶基因与酶偶联法高效再生辅酶的葡萄糖脱氢酶共表达系统，通过构建双功能融合蛋白以及固定化的研究，从生物转化反应的源头提高生物催化剂的催化效率和稳定性；针对底产物的毒害作用，利用反应介质工程手段，比较筛选适宜的反应介质；基于酶促反应动力学的研究，通过反应过程工程的优化研究，实现生物催化不对称还原制备手性醇的高效稳定运行，为其工业化应用奠定应用基础。