用于对映体选择性反应的全细胞生物催化剂及其手性催化机理的研究

不对称合成是化学工程领域最富活力的研究方向，生物催化技术将在该领域扮演极为重要的角色，高效的生物催化剂是发展该技术的基础和关键，但其实际应用仍存在成本高、催化效率低等亟待解决的问题。本研究利用定向进化和蛋白质工程技术对生物催化剂进行改性，获得催化活性高和对映体选择专一性强的高效生物催化剂。在此基础上研发全细胞生物催化剂，使固定化酶的高催化活性、高对映体选择专一性与全细胞催化的操作便捷性、低成本性有机结合。同时利用蛋白质分子建模和核磁共振解析酶分子结构的方法探讨其对映体选择性催化的分子机制。本项目的实施不仅可开发应用于手性扁桃酸合成、拆分的高效全细胞生物催化剂，而且可为进一步开发高效生物催化剂奠定一定的理论基础，使现代生物技术更好地服务于化学工程与工业化学的研究。将促进我国的传统化工向"绿色化工"转型，符合"节能减排、科学发展"的可持续发展战略，有助于"资源节约型、环境友好型"社会的建设。

本项目历时近三年的研究，基本完成各项研究计划。构建完成多种不同来源的全细胞脂肪酶，对其酶学性质进行了较为系统的研究。通过酶基因定向进化，筛选得到适合于扁桃酸手性拆分的脂肪酶。建立并优化得到依赖于全细胞脂肪酶的扁桃酸手性拆分的生物催化反应体系，单一对映体手性产物ee值达到100%。针对研究过程中新出现的问题，本项目实施的第一年度后期，我们与华东理工大学合作。引入了计算机分子模拟和突变体结构计算生物学分析的方法，从突变体的分子结构入手，利用计算生物学的方法分析影响其对映体选择专一性的结构域或关键氨基酸残基，再利用实验学方法验证，从而了解其不对称催化反应的机理。初步确定手性底物与酶分子对接的能量和构象对于酶的手性选择性具有重要影响。下一步工作将着重开展基于计算生物学和结构生物学的酶分子理性设计、改造及催化机理的研究。项目研究期间毕业硕士研究生2名，项目负责人入选2011年度湖北省新世纪高层次人才工程优秀青年骨干人才计划。发表SCI论文2篇，另有2篇论文在数据完善和整理之中。