The evolution of biotransformation technologies
- 作者
- Jonathan S Dordick, Yuri L Khmelnitsky, Maria V Sergeeva
- 单位
- Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Iowa; Division of Medicinal and Natural Products Chemistry, University of Iowa; EnzyMed Inc.
- 杂志
- Current Opinion in Microbiology（1998）
- DOI
- 10.1016/S1369-5274(98)80035-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何开发和改进生物催化剂（酶和微生物）以满足化学和制药工业对高效、高选择性、环境友好型转化的需求，特别是利用极端环境微生物、非水相酶技术、定向进化及组合生物合成等手段。
研究策略
综述多种新兴生物转化技术：从极端环境分离和利用微生物及其酶；开发非水相酶催化体系（包括离子配对、分子印迹、生物催化塑料等）；运用定向分子进化（DNA改组）改造酶和代谢通路；通过代谢途径工程和组合生物合成产生“非天然天然产物”；利用组合生物催化快速构建化合物库。
核心内容
该文综述了代谢工程与合成生物学领域生物转化技术的主要进展，重点介绍了通过极端环境微生物开发、非水相酶催化、定向分子进化及组合生物合成等手段改造生物催化剂的方法。技术上，离子配对和冻干策略显著提升了酶在有机溶剂中的活性，例如离子配对的枯草杆菌蛋白酶合成肽的活性比天然悬浮酶提高超过1000倍；DNA改组则将β-半乳糖苷酶转变为β-岩藻糖苷酶，底物特异性提升三个数量级，并且改造砷酸盐抗性途径后大肠杆菌可在0.5M砷酸盐中生长，而野生型在40mM即被抑制。此外，工程化DEBS聚酮合酶结合非天然底物生成新型红霉素类似物，组合生物催化从bergenin构建500个成员化合物库，其中抑制剂效力较原化合物提高约两个数量级。这些结果说明，将分子生物学与化学合成策略交叉融合，可高效产生高选择性、高活性的生物催化剂及“非天然天然产物”，对化学和制药工业具有重要推动意义，且未来有望进一步受益于催化抗体和仿生催化剂的发展。
创新点
离子配对酶在有机溶剂中活性提高1000倍以上；分子印迹使非酶蛋白获得催化活性；DNA改组实现酶功能转换和代谢途径性能跃升；聚酮合酶模块工程和底物饲喂产生新型聚酮；组合生物催化用于自动化合成大规模衍生物库。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Methanococcus jannaschii | — | — | 超嗜热蛋白酶 | 催化 | 来自深海超嗜热古菌，在125°C和500 atm下活性提高3.4倍 |
| — | — | — | Subtilisin Carlsberg | 催化 | 通过离子配对在有机溶剂中合成肽的活性比天然悬浮酶高1000倍以上 |
| — | — | — | α-Chymotrypsin | 催化 | 包埋在聚甲基丙烯酸甲酯中在己烷中活性提高230倍；用18-冠-6冻干激活600倍 |
| — | — | — | Thermolysin | 催化 | 用于紫杉醇的酶法改性，获得水溶性提高1600倍的衍生物 |
| — | — | — | Tyrosinase | 催化 | 在氯仿中氧化酚类底物引发Diels-Alder反应，总产率55-82% |
| Escherichia coli | 砷酸盐解毒通路 | 砷酸盐抗性操纵子（来自Staphylococcus aureus质粒pI258） | 砷酸盐外排转运蛋白 | 转运 | 经DNA改组后，宿主在0.5M砷酸盐中生长，而野生型在40mM即被抑制 |
| — | 聚酮生物合成 | DEBS (6-脱氧红霉内酯B合酶) 及其修饰基因 | 聚酮合酶（包括酮合酶KS1、β-酮还原酶等） | 催化 | 通过基因操作和饲喂非天然底物产生新型红霉素类似物 |
| — | — | — | β-半乳糖苷酶 | 催化 | 经DNA改组转变为β-岩藻糖苷酶，底物特异性提高三个数量级 |
| — | — | — | 脂肪酶（如Pseudomonas cepacia脂肪酶） | 催化 | 用于组合生物催化，生成酰化衍生物库 |
| — | — | — | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 在无水矿物载体上高温催化糖苷化反应，产率显著高于含水体系 |
关键发现
- 离子配对的枯草杆菌蛋白酶和α-胰凝乳蛋白酶在有机溶剂中合成肽的活性比天然悬浮酶高1000倍以上
- α-胰凝乳蛋白酶包埋在聚甲基丙烯酸甲酯中在己烷中活性提高230倍
- 用KCl冻干枯草杆菌蛋白酶使转酯反应的kcat/Km提高近4000倍
- 18-冠-6冻干α-胰凝乳蛋白酶产生600倍激活
- 酶法修饰紫杉醇得到水溶性提高1600倍的衍生物
- 酪氨酸酶引发的Diels-Alder反应总产率55-82%
- 经DNA改组的砷酸盐抗性途径使大肠杆菌在0.5M砷酸盐中生长（野生型40mM即被抑制）
- 通过DNA改组将β-半乳糖苷酶转变为β-岩藻糖苷酶，底物特异性提高三个数量级
- 工程化DEBS聚酮合酶结合非天然底物产生新型红霉素类似物
- 组合生物催化从bergenin生成500个成员的化合物库，其中抑制剂效力比bergenin提高约两个数量级。
研究结论
生物转化领域处于生物学与化学的交叉点，分子生物学和化学合成策略的进步对化学和制药工业产生重大影响；未来的发展还将受益于催化抗体和仿生催化剂，生物转化技术的重要性将持续增加。