第1章 緒論 001
1.1 生物催化基本概念 001
1.1.1 生物催化工程的學科背景 001
1.1.2 生物催化工程的內(nèi)涵與外延 001
1.1.3 生物催化的發(fā)展歷史 003
1.2 生物催化的研究動態(tài) 003
1.2.1 生物催化劑的發(fā)現(xiàn)和改造 003
1.2.2 生物催化新反應的發(fā)現(xiàn)和拓展 004
1.2.3 生物催化反應工程策略 004
1.3 生物催化的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 004
1.3.1 生物催化應用領域的不斷拓展 004
1.3.2 智能化和跨學科交叉融合的發(fā)展趨勢 005

第2章 生物催化劑的分類及反應類型 007
2.1 概述 007
2.2 酶的生化分類及系統(tǒng)命名 007
2.2.1 習慣命名法 007
2.2.2 系統(tǒng)命名法 007
2.3 典型的酶促反應特性概述 010
2.3.1 氧化-還原酶 010
2.3.2 轉(zhuǎn)移酶 017
2.3.3 水解酶 018
2.3.4 裂合酶 025
2.3.5 異構(gòu)酶 027

第3章 生物催化劑的發(fā)現(xiàn) 031
3.1 引言 031
3.2 生物催化劑的來源、發(fā)現(xiàn)和篩選 031
3.2.1 生物催化劑的來源 031
3.2.2 生物催化劑的發(fā)現(xiàn)和篩選 032
3.3 總結(jié)與展望 036

第4章 生物催化劑的分子工程改造 039
4.1 酶分子改造 039
4.2 酶的定向進化 039
4.2.1 定向進化的關(guān)鍵因素 040
4.2.2 定向進化的方法 041
4.2.3 定向進化應用案例 044
4.3 酶的理性設計/半理性設計 046
4.3.1 理性設計提高酶的活性 046
4.3.2 理性設計提高酶的熱穩(wěn)定性 047
4.3.3 理性設計調(diào)控酶的選擇性 049
4.3.4 理性設計改造酶的催化多功能性 050
4.3.5 機器學習指導的酶分子設計 052
4.4 酶分子工程的發(fā)展趨勢與展望 052

第5章 生物催化劑的結(jié)構(gòu)模擬與智能設計 055
5.1 蛋白質(zhì)的序列分析 055
5.2 同源酶的結(jié)構(gòu)模擬和分子對接 056
5.2.1 結(jié)構(gòu)模擬 056
5.2.2 分子對接 057
5.3 酶的三維結(jié)構(gòu)智能預測方法 058
5.4 基于物理模型的酶理性設計 059
5.4.1 酶-配體結(jié)合口袋再設計 060
5.4.2 基于計算的酶穩(wěn)定性設計 060
5.5 機器學習指導的酶分子改造 061
5.5.1 基于偏最小二乘法回歸模型提高酶的活力 061
5.5.2 基于高斯過程模型輔助酶工程研究 062
5.5.3 基于3D CNN模型進行酶的分子設計 062
5.5.4 基于BaggingTree預測酶底物特異性 063
5.5.5 基于CLEAN預測酶的EC編號 064

第6章 酶的基因表達系統(tǒng) 067
6.1 大腸桿菌表達系統(tǒng) 067
6.1.1 常用的大腸桿菌表達宿主 067
6.1.2 大腸桿菌表達質(zhì)粒 068
6.1.3 目的蛋白在大腸桿菌中的表達 068
6.1.4 大腸桿菌表達底盤的改造與應用 070
6.2 枯草芽孢桿菌表達系統(tǒng) 071
6.2.1 枯草芽孢桿菌簡介 071
6.2.2 枯草芽孢桿菌表達載體與轉(zhuǎn)化方法 072
6.2.3 枯草芽孢桿菌重組表達系統(tǒng)的優(yōu)化 072
6.2.4 枯草芽孢桿菌表達系統(tǒng)的應用 074
6.3 畢赤酵母 074
6.3.1 畢赤酵母背景介紹 074
6.3.2 畢赤酵母表達系統(tǒng)的優(yōu)勢 074
6.3.3 工程改造畢赤酵母產(chǎn)酶的原理 075
6.3.4 畢赤酵母工程菌產(chǎn)酶的實例 076
6.3.5 提高畢赤酵母產(chǎn)酶量的方法 076
6.3.6 小結(jié)與展望 078
6.4 無細胞表達系統(tǒng) 078
6.4.1 原核無細胞表達系統(tǒng) 078
6.4.2 真核無細胞表達系統(tǒng) 079

第7章 游離酶的制備與表征 081
7.1 產(chǎn)酶微生物的高密度發(fā)酵 081
7.1.1 產(chǎn)酶微生物高密度發(fā)酵的影響因素 081
7.1.2 高密度發(fā)酵模式 082
7.1.3 高密度發(fā)酵的過程控制 083
7.2 工程酶的提取純化 085
7.2.1 細胞裂解 086
7.2.2 酶的分離純化 086
7.3 酶的催化性能表征 088
7.3.1 蛋白質(zhì)的濃度和純度 088
7.3.2 酶的活力 089
7.3.3 酶的專一性 089
7.3.4 酶的穩(wěn)定性 090

第8章 生物催化劑的固定化 093
8.1 固定化生物催化劑概述 093
8.1.1 游離生物催化劑在應用中存在的缺陷 093
8.1.2 生物催化劑固定化技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展歷程 093
8.1.3 固定化生物催化劑的定義 094
8.2 固定化生物催化劑的制備方法 094
8.2.1 載體結(jié)合法固定化酶 095
8.2.2 交聯(lián)法固定化酶 097
8.2.3 包埋法固定化酶 099
8.2.4 納米材料固定化酶 101
8.2.5 金屬有機框架固定化酶 102
8.2.6 酶和金屬催化劑的共固定化 102
8.2.7 交聯(lián)法固定化整細胞 103
8.2.8 包埋法制備固定化整細胞 103
8.2.9 組合固定化方法 104
8.2.10 膜反應器截留法固定化酶 105
8.3 固定化生物催化劑制備的原則 105
8.4 固定化生物催化劑的性能表征與評價指標 105
8.4.1 固定化生物催化劑的活性 105
8.4.2 固定化生物催化劑的穩(wěn)定性 106
8.4.3 固定化生物催化劑的機械強度 106
8.4.4 固定化酶的蛋白質(zhì)上載率 106
8.4.5 生物催化劑的固定化效率（活力回收率） 106
8.5 生物催化劑固定化的性能影響 107
8.5.1 固定化生物催化劑活性與選擇性的變化 107
8.5.2 固定化生物催化劑的動力學參數(shù)變化 108
8.5.3 固定化生物催化劑的穩(wěn)定性影響 108
8.5.4 反應條件參數(shù)的影響 108
8.6 固定化生物催化劑的應用 109
8.6.1 固定化生物催化劑的優(yōu)缺點 109
8.6.2 固定化方法與固定化制劑形式的選擇 110
8.6.3 固定化生物催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中的應用 110
8.7 展望 112

第9章 生物催化反應的動力學表征 115
9.1 均相酶反應動力學 115
9.1.1 單底物酶反應動力學 115
9.1.2 可逆酶反應動力學 118
9.1.3 雙底物酶反應動力學 119
9.1.4 受抑制的酶反應動力學 121
9.1.5 變構(gòu)酶反應動力學 124
9.1.6 pH對酶反應速率的影響 125
9.1.7 溫度對酶反應速率的影響 126
9.2 非均相酶反應動力學 127
9.2.1 外擴散對反應速率的影響 127
9.2.2 內(nèi)擴散對反應速率的影響 129

第10章 生物催化劑的介質(zhì)系統(tǒng) 135
10.1 介質(zhì)系統(tǒng)簡介 135
10.2 水相及非水相生物催化的優(yōu)缺點 136
10.3 酶在微水有機溶劑中失活的原因 136
10.3.1 傳質(zhì)和接觸的因素 136
10.3.2 酶結(jié)構(gòu)的變化 137
10.3.3 底物的解溶劑化能量學和臨界態(tài)的穩(wěn)定性 137
10.3.4 構(gòu)象的柔性 137
10.3.5 pH環(huán)境 138
10.4 微水有機溶劑中的酶學性質(zhì) 138
10.4.1 酶的活性 138
10.4.2 酶的穩(wěn)定性 141
10.4.3 酶的選擇性 141
10.4.4 酶的分子記憶性 142
10.5 不同介質(zhì)體系中的生物催化與生物轉(zhuǎn)化 143
10.5.1 水相體系中的生物催化 143
10.5.2 有機溶劑-水單相體系中的生物催化 143
10.5.3 有機溶劑/水雙相體系中的生物催化 144
10.5.4 反膠束體系中的生物催化 144
10.5.5 微水有機溶劑中的生物催化 145
10.5.6 無溶劑體系中的生物催化 146
10.5.7 超臨界流體中的生物催化 146
10.5.8 離子液體體系中的生物催化 147
10.5.9 深度共熔溶劑體系中的生物催化 148
10.6 非水相體系中的酶激活方法 149
10.6.1 化學修飾 149
10.6.2 賦形劑 149
10.7 非水相生物催化的工業(yè)應用 150

第11章 生物催化在精細化學品合成中的應用案例 153
11.1 概述 153
11.2 生物催化過程的應用技術(shù)評價指標 153
11.3 醫(yī)藥原料及中間體的酶促合成 155
11.3.1 單加氧酶催化合成埃索美拉唑 155
11.3.2 轉(zhuǎn)氨酶催化合成西他列汀 156
11.3.3 生物催化合成新冠治療藥物中間體 156
11.3.4 醇脫氫酶催化合成抗組胺藥物中間體 159
11.4 農(nóng)藥、獸藥及除草劑的酶促合成 160
11.4.1 農(nóng)藥中間體2-氯煙酸的酶法合成 161
11.4.2 擬除蟲菊酯關(guān)鍵手性中間體的一鍋法合成 161
11.4.3 獸藥氟苯尼考中間體的酶促合成 162
11.4.4 除草劑草銨膦的酶促合成 164
11.5 其他功能化學品的酶促合成案例 165
11.5.1 生物催化在香精香料合成中的應用 165
11.5.2 生物催化在材料化學品中的應用 167
11.5.3 生物催化在保健品制備中的應用 169

第12章 生物催化劑的高通量篩選方法 173
12.1 引言 173
12.2 氧化還原酶的高通量篩選方法 173
12.2.1 脫氫酶 173
12.2.2 氧化酶類 175
12.2.3 加氧酶 177
12.2.4 漆酶 180
12.3 轉(zhuǎn)氨酶的高通量篩選方法 181
12.3.1 基于乙醛脫氫酶的方法 181
12.3.2 熒光法 182
12.3.3 以半胱氨酸亞磺酸為氨基供體的比色法 182
12.3.4 基于紅四氮唑的比色法 183
12.4 水解酶的高通量篩選方法 184
12.4.1 瓊脂平板篩選法 184
12.4.2 基于顯色的直接測定法 184
12.4.3 基于熒光的孔板篩選法 184
12.4.4 基于熒光的流式細胞儀篩選法 185
12.4.5 基于pH指示劑的篩選法 185
12.4.6 基于偶聯(lián)反應的間接測定法 186
12.5 結(jié)論 186

第13章 酶催化碳碳偶聯(lián)反應 189
13.1 自由基介導的酶促碳碳鍵偶聯(lián)反應 189
13.1.1 酶催化脫氧腺苷自由基引發(fā)的碳碳鍵偶聯(lián)反應 189
13.1.2 鐵氧四價自由基催化C—C鍵偶聯(lián) 191
13.1.3 漆酶催化C—C鍵的形成 195
13.1.4 黃素依賴酶催化碳碳鍵的形成 196
13.2 酶催化（親核、親電）加成或取代的碳碳鍵偶聯(lián)反應 197
13.2.1 醛縮酶催化的碳碳鍵形成反應 197
13.2.2 ThDP依賴的聚醛酶和轉(zhuǎn)酮酶催化的碳碳鍵形成 199
13.2.3 羥腈裂解酶催化的碳碳鍵形成 200
13.2.4 鹵醇脫鹵酶催化的碳碳鍵形成 202
13.2.5 Pictet-Spenglerases催化的碳碳鍵形成 203
13.2.6 C-糖基轉(zhuǎn)移酶催化的碳碳鍵形成反應 205
13.2.7 異戊烯基轉(zhuǎn)移酶催化的碳碳鍵形成 206
13.2.8 傅克烷基化酶催化的碳碳鍵形成反應 208
13.3 周環(huán)酶催化的碳碳鍵偶聯(lián) 209

第14章 生物催化C—O鍵修飾反應 213
14.1 概述 213
14.2 酶催化C—H鍵的氧化 213
14.2.1 sp3 C—H鍵羥化 213
14.2.2 芳香族的sp2C—H鍵的羥化 222
14.2.3 C=C鍵氧化反應 224
14.2.4 醇的氧化 225
14.2.5 醛和酮的氧化 226
14.2.6 甲基轉(zhuǎn)移酶催化的C—O修飾 227
14.3 結(jié)論 228

第15章 生物催化C—N成鍵反應 231
15.1 轉(zhuǎn)氨酶 231
15.2 氨基酸脫氫酶 235
15.3 亞胺還原酶 238
15.4 胺脫氫酶 240
15.5 胺氧化酶 242
15.6 氨裂合酶 245

第16章 工業(yè)生物催化中的輔因子再生技術(shù) 251
16.1 常見輔因子的種類及其反應類型 251
16.1.1 煙酰胺類 251
16.1.2 黃素類 251
16.1.3 ATP 251
16.1.4 SAM 251
16.1.5 乙酰輔酶A 252
16.1.6 糖核苷酸 252
16.1.7 3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸（PAPS） 252
16.2 游離型輔因子再生方式 252
16.2.1 化學再生 252
16.2.2 電化學再生 253
16.2.3 光化學再生 253
16.2.4 酶法再生 253
16.3 輔因子工程 257
16.3.1 輔因子偏好性改造 257
16.3.2 內(nèi)源輔因子系統(tǒng)調(diào)節(jié) 258
16.3.3 異源輔因子系統(tǒng)補充 258

第17章 生物催化的非專一性反應及其應用 261
17.1 酶催化的非專一性 261
17.1.1 非專一性的概念和分類 261
17.1.2 非專一性產(chǎn)生的原因 261
17.1.3 酶催化非專一性的反應機制 262
17.2 水解酶催化的非專一性 263
17.2.1 Aldol反應 264
17.2.2 Herny（Nitroaldol）反應 265
17.2.3 Michael加成反應 265
17.2.4 Mannich反應 267
17.2.5 Markovnikov加成反應和反Markovnikov加成反應 268
17.2.6 氧化反應 268
17.2.7 Knoevenagel反應 269
17.3 黃素依賴酶催化的非專一性 270
17.3.1 Baeyer-Villiger單加氧酶催化的非專一性反應 270
17.3.2 烯還原酶催化的非專一性反應 271
17.3.3 脂肪酸光脫羧酶催化的非專一性反應 273
17.4 鐵卟啉依賴酶催化的非專一性 274
17.5 其他輔因子依賴型酶的催化多功能性研究 275
17.6 酶催化非專一性在多步有機合成中的應用 276
17.6.1 脫羧-Aldol反應合成 -羥基酮類化合物 276
17.6.2 水解-縮合-加成反應 277
17.6.3 Michael加成-�；�反應合成手性雜環(huán)化合物 277
17.6.4 Michael加成-環(huán)化反應合成肟官能化二氫呋喃衍生物 279
17.6.5 Knoevengel反應-Michael加成反應-環(huán)合反應合成吲哚啉螺環(huán)類化合物 279
17.6.6 不對稱Mannich反應合成手性β-氨基酮/醛類化合物 280
17.6.7 光催化氧化-酶催化聯(lián)合催化合成噻唑、嘧啶類化合物 280
17.7 酶催化非專一性在工業(yè)合成中的應用 281

第18章 多酶級聯(lián)催化反應 285
18.1 級聯(lián)催化 285
18.1.1 級聯(lián)催化簡介 285
18.1.2 級聯(lián)催化的分類 285
18.2 多酶級聯(lián)催化 286
18.2.1 多酶級聯(lián)催化簡介 286
18.2.2 多酶級聯(lián)催化的類型 287
18.3 基于逆合成分析設計多酶級聯(lián)的催化路線 290
18.3.1 逆合成方法簡介 290
18.3.2 多酶級聯(lián)催化的設計 291
18.4 體外多酶級聯(lián)催化的研究進展 293
18.5 體內(nèi)多酶級聯(lián)催化的研究進展 297
18.6 混合型級聯(lián)催化的研究進展 304

第19章 化學-酶偶聯(lián)的催化反應 307
19.1 概述 307
19.1.1 化學-酶偶聯(lián)催化方法的發(fā)展 307
19.1.2 化學-酶偶聯(lián)催化的特點 307
19.1.3 化學-酶法偶聯(lián)催化的構(gòu)建策略 308
19.2 金屬-酶偶聯(lián)催化 309
19.2.1 金屬催化劑-氧化還原酶偶聯(lián)催化 310
19.2.2 金屬催化劑-轉(zhuǎn)移酶的偶聯(lián)催化 313
19.2.3 金屬催化劑-水解酶的偶聯(lián)催化 314
19.2.4 金屬催化劑-裂合酶的偶聯(lián)催化 314
19.3 有機小分子-酶偶聯(lián)催化 315
19.3.1 有機小分子-氧化還原酶的偶聯(lián)催化 315
19.3.2 有機小分子-水解酶的偶聯(lián)催化 316
19.3.3 有機小分子催化劑-裂合酶的偶聯(lián)催化 317
19.4 光-酶偶聯(lián)催化 318
19.4.1 光-氧化還原酶的偶聯(lián)催化 318
19.4.2 光-裂合酶的偶聯(lián)催化 319
19.5 納米酶-酶的偶聯(lián)催化 320
19.5.1 納米酶-水解酶的偶聯(lián)催化 320
19.6 總結(jié)與展望 321

第20章 微尺度連續(xù)流生物催化過程 323
20.1 概述 323
20.2 微反應器強化的生物催化過程 324
20.2.1 輔因子循環(huán) 324
20.2.2 氣-液兩相反應 326
20.2.3 多酶兼容性問題 328
20.2.4 過程強化與品質(zhì)提升 328
20.3 微反應器強化的生物-化學偶聯(lián)過程 330
20.3.1 酶-化學偶聯(lián)催化 330
20.3.2 過程強化與品質(zhì)提升 334
20.4 總結(jié)與展望 335