综述：用于生物催化合成手性化合物的绿色技术进展：从酶催化到多学科协同创新

《Bioorganic Chemistry》：Advances in green technologies for biocatalytic synthesis of chiral compounds: from enzymatic catalysis to multidisciplinary collaborative innovation

生物催化手性化合物合成研究进展，涵盖酶工程改造、光-电催化协同技术及微生物代谢优化，实现高效环保的立体定向合成。

　　

魏宏月|刘冰|朱婷|刘宇辰|张丽静|陈宁|李文兰

哈尔滨商业大学制药工程技术研究中心，中国哈尔滨

摘要

手性化合物在制药和材料领域具有很高的价值，因为它们具有独特的立体结构。然而，传统的合成方法往往遇到困难，如需要苛刻的反应条件和严重的环境污染。生物合成技术利用酶催化的固有特性（如高立体选择性和环境友好性），已成为克服这些传统限制的关键策略。本文综述了手性化合物生物催化合成的最新进展。主要发展包括通过修饰氧化还原酶和裂解酶来进行精确的手性中心构建的酶工程，以及设计双功能酶和人工酶；还有光酶催化和电酶催化，这些方法将能量驱动过程与生物催化结合，在温和条件下实现高效合成。利用工程改造的大肠杆菌和酵母的微生物工程，可以通过优化的代谢途径实现手性化合物的大规模生产，包括手性倍半萜（例如，(-)-β-elemene、drimenol、albicanol）、手性生物碱前体（例如，(-)-dehydrobrevianamide E）和其他高价值的手性中间体。关于亚胺还原酶和氨基酸脱氢酶的机理研究支持了合理的酶设计。当前技术具有环保特性，但仍面临酶稳定性等挑战。展望未来，跨学科技术的整合有望推动手性合成技术的智能化和可持续发展。

引言

手性化合物是一类独特的化学物质，在自然界和各种合成产品（如药物）中广泛存在。对映体是手性化合物的主要存在形式，它们是不可重叠的镜像分子，具有相同的分子式和物理化学性质（例如，沸点、溶解度），但具有不同的光学活性和空间构型。这种手性特征赋予它们显著不同的物理、化学和生物活性。在制药领域，手性药物的不同对映体在药理效应、代谢途径和毒性/副作用方面存在显著差异[22]，[81]。这一特性对药物开发和临床应用产生了深远影响。以抗心律失常药物奎尼丁和奎宁为例：奎尼丁主要用于治疗心律失常，而奎宁则是一种关键的抗疟疾药物。这两种化合物是对映体，但表现出完全不同的药理活性[2]，[7]，[138]。同样的情况也适用于帕金森病药物L-多巴：只有L-异构体能够有效提高大脑中的多巴胺水平并缓解帕金森病的症状，而D-异构体几乎无效，甚至可能造成不必要的代谢负担和潜在的毒性副作用[1]，[54]，[95]。在材料科学中，手性材料表现出独特的光学、电学和磁学性质，为新型功能材料的发展提供了广阔的前景[65]，[75]，[122]。因此，手性化合物的高效和精确合成已成为化学、生物学和材料科学等跨学科领域的研究重点。

传统的手性化合物合成方法[34]，[50]，[73]，如化学拆分和不对称化学合成[5]，[84]，[100]，[149]，虽然能够制备手性化合物，但存在反应条件苛刻、催化剂昂贵、环境污染严重和立体选择性有限等问题。这些限制在构建具有多个连续立体中心的手性分子、空间受阻的底物或轴手性框架时尤为明显。手性化合物合成技术的发展历程体现了技术的迭代和进步：从早期依赖天然产物提取，到化学不对称合成的突破，再到生物合成技术的逐渐主导，形成了一个跨越一个世纪的技术演变轨迹（图1）。随着生物技术的快速发展，生物合成手性化合物的方法逐渐成为主流。生物催化合成利用酶作为催化元素，具有高立体选择性、温和的反应条件和环境友好性等显著优势。它能够在温和条件下高效合成手性化合物，从而为手性化合物的制备开辟了新的途径[108]，[114]，[143]。

酶作为生物催化合成手性化合物的手性精密工具，其活性位点的固有立体特异性允许精确的底物识别，从而高效生产高光学纯度的目标对映体。这些反应通常在温和条件下进行（例如，室温和常压），实现高转化效率并产生少量副产物。此外，酶是可生物降解和可再生的，大大减少了气体、液体和固体废物的产生。这些特性完全符合绿色化学的原则，使酶催化成为制药和精细化工行业手性合成的核心技术。在实际应用中，酶的广泛采用和持续优化主要归功于两个核心优势。首先，它们固有的结构和机理多样性使它们能够满足各种手性化合物的合成要求。其次，它们具有显著的酶工程潜力；通过定向进化和合理设计等技术，可以进一步提高其催化性能和选择性，同时增强过程的环保性。这与行业追求高效和可持续合成的目标高度一致。根据它们催化的化学反应类型，几类酶在这一领域显示出相当的应用价值。主要包括氧化还原酶[13]，[46]，[61]，裂解酶[43]，[64]，水解酶[9]和转移酶。这些酶通过各自的独特催化机制推动了手性合成的进步。通过定向进化、合理设计或蛋白质工程修饰等酶工程技术改造天然酶，可以显著提高酶的催化效率、底物耐受性和立体选择性，甚至赋予酶非天然的催化功能。

光酶协同催化作为一种新兴技术，结合了光催化和酶催化的优点，能够在温和条件下实现高选择性的手性合成反应[80]，[102]，[139]。该过程利用光能作为绿色能源，消除了有机溶剂的使用，并在温和条件下进行，因此表现出显著的环境友好特性。在光酶协同催化系统中，光催化剂利用光能生成高活性的自由基中间体，而酶在其活性位点内精确地催化这些中间体的立体选择性转化，从而实现手性化合物的高效合成[111]，[112]。

电酶协同催化是一种新兴策略，结合了电化学的可控性和生物催化的立体选择性。它通过电能驱动酶催化反应或电化学-酶级联过程，在温和条件下实现手性中心的高效构建[51]，[115]，[150]。

微生物工程和代谢途径优化也是手性化合物生物催化合成的关键策略[142]。特别是通过改造大肠杆菌和酵母[16]，[91]，[98]，[105]等微生物细胞工厂，并结合代谢途径优化，可以实现手性化合物的大规模生产。

随着科学技术的快速发展，手性化合物生物催化合成领域不断涌现新技术。例如，借助深度学习对大量酶结构和功能数据集进行智能辅助的酶设计技术，能够准确预测和设计具有特定催化活性和立体选择性的酶，大大加速了新型酶的开发[93]。这些新技术与酶工程和微生物工程等传统方法相结合，为手性化合物的生物催化合成带来了新的机会。它们有潜力克服现有的技术瓶颈，推动该领域达到新的高度[4]。

本综述涵盖了手性化合物生物催化合成的最新进展，重点介绍了酶工程、光酶协同催化和电酶协同催化、微生物细胞工厂开发以及生物合成机理分析。它将分析当前面临的挑战，提供未来发展趋势的见解，并旨在为相关领域的研究人员提供全面的参考，从而促进手性化合物生物催化合成技术的进一步发展。

部分摘录

酶工程和催化应用

传统的手性化合物合成方法主要依赖于化学策略，如使用手性催化剂进行不对称合成。然而，这些方法常常面临反应条件苛刻、催化剂昂贵、副反应严重和环境污染严重等问题。作为生物催化剂，酶在许多生物合成过程中发挥着重要作用，并在手性生物催化合成中具有显著优势。酶催化提供了高立体选择性，使得

光酶催化

光催化和酶催化各自具有独特的优势。光催化可以利用可持续的太阳能，生成高活性的自由基中间体，并为有机合成提供新的反应途径。酶催化通过其高立体选择性和温和的反应条件可以精确构建手性中心。将这两种方法结合起来形成光酶协同催化系统，可以实现互补的优势。该系统不仅能够高效

电酶催化

“清洁能源驱动的生物催化”已成为手性化合物绿色合成的核心发展方向，主要形成两种技术途径：光酶协同催化和电酶协同催化。尽管两者都旨在实现“低污染和高选择性”，但由于驱动能量和催化机制的固有差异，它们表现出不同的优势。

微生物工程和代谢途径优化

在手性化合物的大规模生产中，传统方法在产量和成本方面的局限性日益明显，这使得微生物工程和代谢途径优化成为了一个新兴且充满前景的研究热点。

微生物作为天然的“化学工厂”，包括大肠杆菌、假单胞菌和酵母等菌株。它们具有独特的特性，被广泛用作

生物合成机制和酶功能的解析

生物合成机制是手性化合物合成的基础，决定了反应方向、速率和立体选择性。作为核心催化剂，酶的精确功能调控决定了生物合成过程的成功。解析酶功能揭示了催化原理，为合理的酶设计和工程提供了理论基础。对多种生物合成机制和酶功能的深入分析加深了对手性生物催化合成的理解

结论

手性化合物的生物催化合成建立了将立体化学精确性与可持续性相结合的绿色合成系统。这些方法包括酶工程、光酶协同催化、电酶协同催化和微生物代谢调控。这些方法的特点是反应条件温和、立体选择性高且对环境的影响微小，从而实现了手性药物的可扩展合成

CRediT作者贡献声明

魏宏月：撰写——原始草稿。刘冰：概念构思。朱婷：撰写——审阅与编辑。刘宇辰：实验研究。张丽静：验证。陈宁：资金获取。李文兰：监督。

未引用的参考文献

[10]，[151]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了黑龙江省自然科学基金联合指导项目（PL2024H199）和黑龙江省高校基本科研业务费（XL0196）的支持。