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(xué)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(yīng)的發(fā)現(xiàn)和拓展 004
1.2.3 生物催化反應(yīng)工程策略 004
1.3 生物催化的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 004
1.3.1 生物催化應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展 004
1.3.2 智能化和跨學(xué)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(yīng)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(xí)慣命名法 007
2.2.2 系統(tǒng)命名法 007
2.3 典型的酶促反應(yīng)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(jìn)化 039
4.2.1 定向進(jìn)化的關(guān)鍵因素 040
4.2.2 定向進(jìn)化的方法 041
4.2.3 定向進(jìn)化應(yīng)用案例 044
4.3 酶的理性設(shè)計/半理性設(shè)計 046
4.3.1 理性設(shè)計提高酶的活性 046
4.3.2 理性設(shè)計提高酶的熱穩(wěn)定性 047
4.3.3 理性設(shè)計調(diào)控酶的選擇性 049
4.3.4 理性設(shè)計改造酶的催化多功能性 050
4.3.5 機器學(xué)習(xí)指導(dǎo)的酶分子設(shè)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(shè)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(yù)測方法 058
5.4 基于物理模型的酶理性設(shè)計 059
5.4.1 酶-配體結(jié)合口袋再設(shè)計 060
5.4.2 基于計算的酶穩(wěn)定性設(shè)計 060
5.5 機器學(xué)習(xí)指導(dǎo)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(jìn)行酶的分子設(shè)計 062
5.5.4 基于BaggingTree預(yù)測酶底物特異性 063
5.5.5 基于CLEAN預(yù)測酶的EC編號 064

第6章 酶的基因表達(dá)系統(tǒng) 067
6.1 大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng) 067
6.1.1 常用的大腸桿菌表達(dá)宿主 067
6.1.2 大腸桿菌表達(dá)質(zhì)粒 068
6.1.3 目的蛋白在大腸桿菌中的表達(dá) 068
6.1.4 大腸桿菌表達(dá)底盤的改造與應(yīng)用 070
6.2 枯草芽孢桿菌表達(dá)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(dá)載體與轉(zhuǎn)化方法 072
6.2.3 枯草芽孢桿菌重組表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化 072
6.2.4 枯草芽孢桿菌表達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)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(dá)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(xì)胞表達(dá)系統(tǒng) 078
6.4.1 原核無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng) 078
6.4.2 真核無細(xì)胞表達(dá)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(xì)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(yīng)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(xì)胞 103
8.2.8 包埋法制備固定化整細(xì)胞 103
8.2.9 組合固定化方法 104
8.2.10 膜反應(yīng)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(biāo) 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(xué)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(yīng)條件參數(shù)的影響 108
8.6 固定化生物催化劑的應(yīng)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(yīng)用 110
8.7 展望 112

第9章 生物催化反應(yīng)的動力學(xué)表征 115
9.1 均相酶反應(yīng)動力學(xué) 115
9.1.1 單底物酶反應(yīng)動力學(xué) 115
9.1.2 可逆酶反應(yīng)動力學(xué) 118
9.1.3 雙底物酶反應(yīng)動力學(xué) 119
9.1.4 受抑制的酶反應(yīng)動力學(xué) 121
9.1.5 變構(gòu)酶反應(yīng)動力學(xué) 124
9.1.6 pH對酶反應(yīng)速率的影響 125
9.1.7 溫度對酶反應(yīng)速率的影響 126
9.2 非均相酶反應(yīng)動力學(xué) 127
9.2.1 外擴散對反應(yīng)速率的影響 127
9.2.2 內(nèi)擴散對反應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)修飾 149
10.6.2 賦形劑 149
10.7 非水相生物催化的工業(yè)應(yīng)用 150

第11章 生物催化在精細(xì)化學(xué)品合成中的應(yīng)用案例 153
11.1 概述 153
11.2 生物催化過程的應(yīng)用技術(shù)評價指標(biāo) 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(xué)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(yīng)用 165
11.5.2 生物催化在材料化學(xué)品中的應(yīng)用 167
11.5.3 生物催化在保健品制備中的應(yīng)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(xì)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(yīng)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(yīng) 189
13.1 自由基介導(dǎo)的酶促碳碳鍵偶聯(lián)反應(yīng) 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(yīng) 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(yīng) 197
13.2.1 醛縮酶催化的碳碳鍵形成反應(yīng) 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(yīng) 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(yīng) 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(yīng) 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(yīng) 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(yīng) 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(yīng)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(xué)再生 252
16.2.2 電化學(xué)再生 253
16.2.3 光化學(xué)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(yīng)及其應(yīng)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(yīng)機制 262
17.2 水解酶催化的非專一性 263
17.2.1 Aldol反應(yīng) 264
17.2.2 Herny（Nitroaldol）反應(yīng) 265
17.2.3 Michael加成反應(yīng) 265
17.2.4 Mannich反應(yīng) 267
17.2.5 Markovnikov加成反應(yīng)和反Markovnikov加成反應(yīng) 268
17.2.6 氧化反應(yīng) 268
17.2.7 Knoevenagel反應(yīng) 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(yīng) 270
17.3.2 烯還原酶催化的非專一性反應(yīng) 271
17.3.3 脂肪酸光脫羧酶催化的非專一性反應(yīng) 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(yīng)用 276
17.6.1 脫羧-Aldol反應(yīng)合成 -羥基酮類化合物 276
17.6.2 水解-縮合-加成反應(yīng) 277
17.6.3 Michael加成-�；�反應(yīng)合成手性雜環(huán)化合物 277
17.6.4 Michael加成-環(huán)化反應(yīng)合成肟官能化二氫呋喃衍生物 279
17.6.5 Knoevengel反應(yīng)-Michael加成反應(yīng)-環(huán)合反應(yīng)合成吲哚啉螺環(huán)類化合物 279
17.6.6 不對稱Mannich反應(yīng)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(yīng)用 281

第18章 多酶級聯(lián)催化反應(yīng) 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(shè)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(shè)計 291
18.4 體外多酶級聯(lián)催化的研究進(jìn)展 293
18.5 體內(nèi)多酶級聯(lián)催化的研究進(jìn)展 297
18.6 混合型級聯(lián)催化的研究進(jìn)展 304

第19章 化學(xué)-酶偶聯(lián)的催化反應(yīng) 307
19.1 概述 307
19.1.1 化學(xué)-酶偶聯(lián)催化方法的發(fā)展 307
19.1.2 化學(xué)-酶偶聯(lián)催化的特點 307
19.1.3 化學(xué)-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(yīng)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(yīng) 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(yīng)器強化的生物-化學(xué)偶聯(lián)過程 330
20.3.1 酶-化學(xué)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