基于非天然结构组件的人工酶设计与应用

袁飞燕，于洋，李春

（北京理工大学化学与化工学院生化工程系，合成生物系统研究所，北京 100081）

酶的高催化性能促进其在化学品合成和材料催化剂中的应用。部分天然酶存在成本昂贵、产率低、稳定性差等不足。在参与氧化还原反应的酶中，多数酶在反应中需要辅酶或辅基［1］，这更加大了天然酶的使用成本。人工酶是以酶的催化原理为基础，模拟酶的生物催化功能，用化学法和生物法合成的具有特定催化功能的生物大分子。人工酶可以弥补天然酶的不足。人工酶已被用作控制化学反应的高效催化剂［2］，同时有助于天然酶机理的深入研究［3］。此外，天然酶对底物具有高度专一性而使底物种类受限，影响在工业上的应用，而人工酶可扩大反应底物范围［4］。

在对天然酶的研究和改造中，研究者发展出了定向进化、理性设计等方法。例如在定向进化中常用到的易错聚合酶链反应（epPCR）和DNA-shuffling。通过在酶的结合口袋内分区饱和诱变也成为一种有效的方法，称为组合活性中心饱和测试（CAST）。而迭代饱和突变（ⅠSM）更适合进一步的遗传优化［5］。通过改变氨基酸序列对酶进行改造，得到具有特定功能的酶，成为众多研究者青睐的方法。研究者为了创造新的、具有与天然酶催化能力相当，甚至优于天然酶催化能力的人工催化剂，常常对酶的底物识别位点、活性位点催化基团以及疏水微环境进行设计［6-7］。Arnold等［8-19］从具有单加氧活性的P450 酶出发，通过定向进化改变氨基酸序列，使P450酶可以催化C—H活化和C—C、C—N、C—S、C—Si 键形成，提高其催化效率或产生新的底物特异性，实现了天然酶不能催化，甚至化学方法难以进行的反应。……