2005年8月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Aug.2005・ 1・
迅速发展中的不对称生物催化技术
许建和
1
,杨立荣,孙志浩,徐 岩
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(1.华东理工大学 生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237;2.浙江大学 材料与化工学院生物工程研究所,杭州 310027;
3.江南大学 工业生物技术教育部重点实验室,无锡 214036)
摘 要:本文概述了生物催化技术近年来迅速发展的背景、现状和前景,特别谈到酶在手性合成领域的广泛应用;结合国内外实例,分别介绍了生物催化的不对称氧化还原反应和水解酶催化的对映选择性合成两个主要方面的研究与开发动态。
关键词:生物催化技术;手性合成;氧化还原酶;水解酶;综述
中图分类号: Q81 文献标识码:A 文章编号:1672-3678(2005)03-0001-06
RapidadvancementofasymmetricbiocaalysistechnologyXUJian2he,YANGLi2rong,SUNZhi2hao,XUYan1
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(1.StateKeyLaboratoryofBioreactorEngineering,EastChinaUniversityofscienceandTechnology,Shanghai200237,China;2.InstituteofBioengineering,CollegeofMaterialsandChemicalEngineering,ZhejinagUniversity,Hangzhou310027,China;)3.KeyLaboratoryofIndustrialBiotechnology,MinistryofEducation,SouthernYangtzUniversity,Wuxi214036,China
Abstract:Thebackground,statusandprospectivefortherapidadvancementofbiocatalysistechnologyinrecentyearsaredescribed,anditswideapplicationinthefieldofchiralsynthesisishighlighted.Domesticandabroadexamplesareintroducedtoillustratetheresearchanddevelopmentstatusofbothbiocatalyticoxidoreductionandhydrolase2mediatedenantioselectivesynthesis.
Keywords:biocatalysistechnology;chiralsynthesis;oxidoreductase;hydrolase;review
近十年来越来越多的人开始意识到酶在高选择
性催化转化人工合成物质方面的巨大潜力。同时,由于在分子水平上对药物作用机理的理解不断加深,人们逐渐认识到“手性”在许多药物分子的药效中所起的关键作用。于是,正在寻求新合成工具的有机化学家与正在寻找生物催化剂新应用的生物技术学家一拍即合,在科技上“联姻”,形成了一门新的交叉学科———化学生物技术(ChemicalBiotechnolo2gy)。生物技术与化学联姻后,除了满足各自学科发展的需要外,同时还产生了许多新的独特的学科分
支。化学生物学家致力于解决化学和生物学中诸如制造新的分子和理解活体细胞内复杂网络的功能等长期问题。化学生物技术学家也面临与化学生物学家同样的课题,但会更多地关注化学生物技术在食品、药品、材料和日用消费品生产中近期和远期的应用;或者在技术方法上帮助化学生物学研究人员更有效地发现自然的奥妙。化学和生物学方法的交叉融合不仅加深和拓展了各自的研究范围,而且开辟了全新的研究和应用领域。
在21世纪之初,随着人类基因组图的绘制完
收稿日期:2005208204
基金项目:国家重大基础研究计划(973)项目(2003CB716008)。
作者简介:许建和,男,教授,博士生导师,研究方向:生物催化与生物加工。Fax:021264252498 E2mail:jianhexu@ecust1edu1cn
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成,迎来了生物学和生物技术迅猛发展的新时代。这必然也会对生物催化和生物转化的发展产生革命性的影响。工业生物催化技术被看作是继农业和医药生物技术之后,生物技术发展的第三次浪潮。与此相呼应,在工业界出现了两个明显的发展趋势:一方面化学工业公司正在雇用越来越多的生命科学家;另一方面,有机化学家在面对新的或比较困难的合成任务时,开始把生物催化视作有效的合成工具。这将使生物催化剂获得更多的工业化应用。
考虑到以化学催化为核心的基础物质加工业面临资源、能源和环境三大危机,美国政府提出:新的生物催化剂是21世纪可持续发展的化学加工业的必需工具。美国能源部已在2002年末斥资1亿美元,进行微生物体系的基础研究。目前生物催化对化工的贡献约5%,预计到2010年将上升为10%～20%;美国的目标是:到2020年,要通过生物催化技术,降低化学加工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗各30%,减少污染物的排放和污染扩散30%。日本政府也从2001年起,制定实施了“创造基于生物机能的循环产业体系”的计划,开发用于化学物质生产的细胞体系。一旦生物技术策略变得不仅对环境友好而且在经济上也实际可行,传统的工业化学产品或工艺可能被生物技术的产品或工艺所替代。只要看一看2003年第8届美国总统绿色化学挑战奖的获奖项目,就会发现到达上述美好现实彼岸的创新研发活动早已在进行。在5个获奖项目中,即有2个项目(分别是微生物农药和酶法合成聚酯材料)与生物技术有关。而在2004年第9届美国总统绿色化学奖的5个获奖项目中,也有3个与工业生物技术有关,分别是发酵法生产生物表面活性剂(鼠李糖酯)、植物细胞转化法由102脱乙酰baccatinⅢ(一种从欧洲紫杉树叶中提取的天然产物)合成抗癌药物紫杉醇,以及在造纸工业上利用微生物酯酶脱除极易导致设备堵塞并影响再生纸质量的胶粘性物质。
生物转化是指以酶或整体细胞为生物催化剂所进行的有机化合物的反应。生物催化在工业上广泛应用于医药、农药、化工、香精香料、营养品和环境修复等目的。自八十年代以来,许多来自于微生物的新酶的性质得到表征,而且酶的分离、稳定化及应用的技术方法不断增加。更为重要的是,生物催化已经越来越多地扩展到有机溶剂系统,这使得许多有机化合物从不溶变为可溶,或者使得一些合成反应
从不可能变为可能。与此同时,在利用重组技术改造生物催化剂方面也取得了重大进展,从而为催化剂的改造和应用提供了无比优越的技术手段。生物催化更进一步的发展将来自于有机化学、分析化学、生物化学、分子生物学、微生物学和工程学等众多领域。的确,许多生物转化最成功的实践者对生物催化发展中多学科高度交叉的特性都有深刻的理解和体会。生物转化技术已经演变到这样一种地步,使得合成化学家在使用生物催化剂时可以像使用其它合成试剂一样的方便。
酶催化剂具有以下一些特点,使其成为有机合成中很有吸引力的一类“试剂”。首先,酶是手性催化剂。它们是经过进化而具有专一性催化结构的特殊蛋白质。酶通常与底物特异性地结合在一起,从而表现出高度的区域、立体和对映选择性。这些重要的特征免除了传统有机合成中为了阻断不必要的副反应,通常需要基团保护和去保护的措施。其次,生物催化一般在温和的反应条件下进行,无需强酸或强碱、极端温度和压力、重金属以及其它一些化学催化剂所必需的条件。多步串联的生物催化反应也可以在一种微生物体内高效地进行。酶反应通常在20～70℃之间非常高效地进行,因此能量输入很少。更为奇妙的是,随着基因组学、分子生物学和体外进化技术的成熟,人们有希望获得专门用于某一合成目标的高效且可调的生物催化剂。虽然实现这些潜在的目标可能还需要等上数年,但是即使在今天,生物催化已经成为许多合成反应的替代途径。
正是因为酶催化剂具有高度的对映体选择性,才使得不对称合成成为生物催化最具吸引力的应用领域。这一发展趋势的内在驱动力来自于单一对映体药物巨大的且仍在不断增长的市场需求(参见图1,其中数据可能包含了手性药物制剂的销售额)。制药公司希望原料供应商能够应对手性问题的挑战,于是许多从事手性合成的精细化学品公司便应运而生。由于单一对映体的制备可以通过许多途径,如手性源技术、手性色谱、化学或生化拆分,生物不对称合成以及化学不对称合成等,因此究竟应该采用何种方法,仍需作出艰难的选择。
由TechnologyCatalysts公司就手性技术发展趋势所作的一份调查显示出学术界和工业界对生物催化的高度兴趣[C&EN,2003205205]。原因之一是人们对生物催化的接受程度不断增加。那些开发和生产酶的公司正在成功地说服化学家相信生物催化的
2005年8月许建和等:迅速发展中的不对称生物催化技术
应。
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图1 单一对映体药物全球销售持续快速增长趋势[1]
Fig11 Profilesofrapidandcontinualincreaseinglobalsalesof
single2ennantiomerdrugs
图2 欧洲生物催化过程工业化累计数目增长情况[4]
Fig12 Dramaticincreaseinthenumberofbiocatalyticprocesses
appliedinindustryinEurope
工业化应用潜力。以所需的量获得所需的酶不再像过去那样成为瓶颈问题。另一个原因是开发一种生物催化方法的成本可能比金属催化剂的合成成本要低,前提是你已拥有一个确实很好的酶。当一种酶被开发出来之后,其运行成本通常比较高,而对于一些“一锅煮”的串联反应,则可将有关的酶一起整合在静息细胞中。基于上述理由,可以相信生物催化将成为未来占主导地位的技术。DSM公司的Wub2bolts博士最近在Science上发表的文章中也预测了面对不对称生物催化技术在欧美日等工业发达
国家迅速发展的国际形势,我们建议政府在考虑我国工业生物催化技术发展时,应当对酶法生产手性化学品及其平台技术给予高度的重视,这对扶持和促进我国以生物催化为核心内容、科技含量高且易于获得自主知识产权、符合资源节约和环境友好等可持续发展特征的生物制造产业,将具有重大的战略意义和巨大的经济、社会和环境效益。
生物大分子(如多糖、蛋白质等)由许多手性单体(单糖、氨基酸等)聚合而成,含有很多手性中心,故在结构上形成高度不对称的微环境空间,而在功能上则作为一种“手性受体”,对手性的药物(配体)或手性的底物具有立体专一性识别作用。生物大分子这种独特的手性识别功能,既是手性问题在医药和农药领域必须引起高度重视的根本原因,也为用生物催化法解决生物活性分子合成中的手性问题提供了坚实的科学基础。手性合成的难点在于:针对不同的手性或潜手性底物,必须使用与之高度匹配
(例如:手性拆分剂、的专一性“手性工具”手性催化
剂、手性溶剂或助剂等等),因此首要关键是要寻找到或制备出高效的手性工具。手性生物催化也不例外,无论是不对称合成,还是异构体拆分,首要的任务是制备出对目标反应具有高度立体选择性的手性生物催化剂。
在作为生物催化剂的6大类酶中,水解酶由于来源广泛、无需辅酶或辅因子、成本低廉,因此应用面最广,占65%左右;其次是氧化还原酶体系,约占25%左右;由于使用游离酶时辅酶再生比较麻烦,成本相对较高,因此,经常使用廉价的整体细胞作为生物催化剂。而其它几种酶(如转移酶、裂解酶、异构酶、连接酶)在工业上的利用率较低,总共不足
生物催化的稳健增长“:生物催化正蓄势待发,在对映体拆分和不对称合成等各种应用中将获得更加广泛的工业应用”。他特别提示,生物催化很可能对一些有机化学尚未能圆满解决的问题给出理想的答案。
需要指出的是,不同咨询公司的统计口径可能不尽相同,因此得出的数据也有所出入。由Frost&Sullivan公司所作的另一份调查表明
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[2],在2002年全
球手性产品的70亿美元的收入中,55%的贡献来自
于传统的技术(手性源和分离),35%来自于化学催化,10%来自于生物催化。该调查报告预测,单一对映体化合物的全球收入2004年将达到8517亿美元,年增长率为1114%;2005年将达到95亿美元,其中49%由手性源和分离技术产生,化学催化的贡献为36%,而生物催化的贡献将增加到15%;预计到2009年末,全球手性产品的收入将增加到14914亿美元,其中传统技术的贡献率将下降为41%,化学催化技术的份额则维持在36%左右,而生物催化技术的贡献率将进一步攀升至22%。可见生物催化将在手性技术中扮演越来越重要的角色。此外,据不完全统计,截至2002年为止,欧洲已有136个生物催化的过程应用于产业(见图2),而且按指数规律急剧增长,其中90%以上为不对称生物转化反
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10%。水解酶的优点是稳定性较好、能够耐受的底物浓度较高(例如1molΠL),缺点是水解酶催化的反递体(例如甲基紫精,即联二2N2甲基吡啶)的报道,
但目前酶偶联法再生NADH或NADPH仍然是辅酶循环的首选方法。
甲酸脱氢酶(FDH)被广泛用于NADH的循环再生,它使甲酸氧化生成CO2,同时使氧化态辅酶NAD还原为NADH。该方法最早由德国的Kula教
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应多数为对映体拆分,理论收率最高只有50%,需要设法将不需要的对映异构体消旋后重复使用。还原酶能催化各种羰基的不对称还原反应,一般立体选择性较高,而且理论产率可达100%,缺点是酶的稳定性较差,一般不能耐受太高的底物浓度,而且辅酶再生比较麻烦,成本也较高。但是,随着基因技术的推广应用,使得氧化还原酶(包括用于辅酶再生的酶)的表达水平大幅度提高,酶的相对成本大幅度下降;此外,随着各种膜技术的发展,使得产物的原位分离变得更加切实可行,因此使用氧化还原酶系进行手性产品不对称合成的实例逐渐增多,特别多地被用于生产一些批量不大、但附加值较高的手性药物中间体。当然,氧化还原酶也可用于外消旋混合物的去消旋化反应,其效果可以与不对称合成相当;另一方面,在水解酶催化的对映选择性反应中,通过与金属催化的原位消旋反应进行耦合,也能达到不对称合成的理论产率(100%)。
授研究开发,现已有商品化FDH酶供应。其最大优点是辅底物(甲酸)及其产物(CO2)对酶无毒、易于除去,酶的稳定性好,易于固定化。缺点是FDH成本较高,酶的比活低(3UΠmg),因此一般采用膜技术使酶便于反复使用,其TTN可达10～10,具有较好的工业化应用前景。例如,德国Degussa公司利用亮氨酸脱氢酶(LeuDH)催化三甲基丙酮酸不对称还原合成L2叔亮氨酸时就使用FDH酶再生反应所需的辅酶NADH。该反应的转化率为74%,时空产率达638g/(L・d),产品可用作抗肿瘤剂和艾滋病毒蛋白酶抑制剂,目前生产能力达到年产吨级规模。
另一种常用的NADH或NADPH再生系统是利用葡萄糖脱氢酶(GDH)催化氧化葡萄糖为葡萄糖内酯或葡萄糖酸。芽孢杆菌属(Bacillussp1),例如蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌等,一般
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都含有GDH酶,且稳定性较好、并对NAD或NAD2+
P都有很高的比活性。不足之处是GDH价格比较昂贵,原因是一般野生菌中GDH酶的表达水平不高,因此,采用基因工程技术对GDH酶进行克隆和高表达是解决氧化还原酶辅酶循环再生问题的关键。最近,国内在这方面已进行了有益的尝试,并取得令人欣喜的进展。华东理工大学与中科院上海植生所合作,将Bacillussubtilis的GDH酶基因在大肠杆菌中成功进行了表达。目前,正在尝试将该重组的GDH酶与各种有用的氧化还原反应进行耦合,以大幅度提高辅酶循环再生的效率,增加工业化应用开发的可行性。
例如,美国施贵宝(Bristol2MyersSquibb)公司在利用白地霉(Geotrichumcandidum)脱氢酶不对称还原42氯232羰基丁酸甲酯合成(S)242氯232羟基丁酸甲酯时,就使用GDH酶再生反应所需的辅酶NAD2PH。该反应的底物质量浓度为10gΠL,产率95%,光学纯度99%e.e.,反应规模750L,生产能力为公斤级。产品可用作降胆固醇药(HMGCoA还原酶抑制剂)的手性起始原料。
当然,有了高效的辅酶再生系统之后,如何将该系统与某一目标化合物的生物氧化Π还原反应有效
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1 生物催化的不对称氧化还原生物催化的不对称还原反应在手性合成中有着非常重要的应用。脱氢酶被广泛用于醛或酮羰基以
及烯烃碳碳双键的还原,这种生物催化反应可使潜手性底物转化为手性底物。氧化还原酶需要辅酶作为反应过程中氢或电子的传递体。常用辅酶有尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH),它们是氧化还原酶的主要辅酶,前者占80%,后者占10%。少数氧化还原酶以黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)作为辅酶。辅酶一般不太稳定,价格昂贵,且不能用一般的合成物质进行替代。生物还原反应中所产生的氧化态辅酶需要通过另一种还原酶催化再生为还原态,以使辅酶保持在催化剂量水平,从而降低成本。辅酶循环再生的效率通常用总转换数(TTN)表示,即分子的辅酶用于转化所产生的产物分子数。
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一般来说,在实验室规模一般要求TTN至少为10～10,而工业化生产则需要达到10以上。辅酶的循环使用是氧化还原酶工业化大规模生产的瓶颈因素,多年来人们一直在致力于辅酶再生平台技术的研究与开发。目前,尽管有化学法或电化学法再生辅酶的例子,也有在还原酶反应中使用人工电子传
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耦合在一起,例如:游离酶—游离酶系统、游离酶—固定化酶系统、固定化酶—固定化酶系统、以及酶—细胞系统和细胞—细胞系统等等,如何提高整个反应系统的生产效率,如何解决高浓度人工合成的底物及其产物对细胞的毒性和对酶的抑制作用等一系列产业化中的关键问题,仍然需要生化工程学者进行深入的工程研究和系统优化工作,并最终与市场的需求有机结合起来,才能真正实现生物催化技术的大规模工业化应用。
氧化反应是向有机化合物分子中引入功能基团的重要反应之一。化学氧化法主要采用金属化合物如醋酸汞、醋酸铅、六价铬或七价锰的氧化物以及过氧有机酸等作为氧化剂,一般没有选择性,副反应比较多,且易造成环境污染。若采用生物氧化法,则不仅可以避免上述问题,而且能使不活泼的有机化合物发生氧化反应(例如烷烃中C2H键的酶促羟化反应),并具有位置和对映选择性。生物催化的氧化反应主要包括单加氧酶、双加氧酶和氧化酶。其中单加氧酶反应需要辅酶的参与,它使分子氧(O2)中的一个氧原子加入到底物分子中,而另一个氧原子使还原型NADH或NADPH氧化,产生H2O。单加氧酶催化的反应类型包括烷烃或芳香烃的羟化(生成醇或酚)、烯烃的环氧化(生成环氧化合物)、含杂原子化合物中杂原子的氧化、以及酮的氧化(Baeyer2Vil2liger反应,生成酯或内酯)。双加氧酶能催化O2分子中两个氧原子都加到一个底物分子中,典型的反应包括:烯烃的氢过氧化反应(例如大豆脂氧酶、辣根过氧化酶)和芳烃的双羟基化反应。氧化酶催化电子直接转移到分子氧中,生成水或过氧化氢。主要类型有:黄素蛋白氧化酶(如氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶)、金属黄素蛋白氧化酶(如醛氧化酶)、血红素蛋白氧化酶(如过氧化氢酶、过氧化物酶)等,它们虽然在食品和环保方面具有广泛的应用,但在手性合成中的应用却很少。
在生物氧化反应的工业应用中最经典的例子当数甾体的微生物羟化反应,我国自20世纪50～60年代即开始研究,目前仍有人在从事这方面的技术改进工作。另一个微生物羟化反应典型的例子是瑞士Lonza公司开发的利用一种无色杆菌(Achro2mobacterxylosoxidans)羟化酶催化烟酸的62羟化生成62羟基烟酸,其产品主要用于合成杀虫剂。所用反
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应器为12m,投料质量浓度为65gΠL,转化时间12h,转化率超过90%,化学纯度>99%。
将生物催化的氧化与还原反应耦联起来,可用于外消旋混合物的去消旋化反应,理论产率可达到100%。这在手性仲醇、1,22二醇、羟基酸(或酯)方面的应用报道较多,是值得研究的一种新技术方法。
2 水解酶催化的对映选择性合成
水解酶是最常用的生物催化剂,可催化水解酯、酰胺、蛋白质、核酸、多糖、腈和环氧化物等化合物,约占生物催化反应用酶的65%,其中在不对称生物催化中使用最多的酶是酯酶、脂肪酶和蛋白酶,近年来,环氧水解酶和腈水解酶也成为手性合成研究和应用的新热点。
微生物脂肪酶在水解反应中使用较多,最为常见的商品酶制剂有:假丝酵母脂肪酶(CRL)、假单孢菌属脂肪酶(PSL)、南极假丝酵母脂肪酶(CAL)等。猪胰脂肪酶(PPL)、猪肝酯酶(PLE)或马肝酯酶(HLE)也偶有报道。一些蛋白酶同样能选择性水解羧酸酯,使用较多的有α2胰凝乳蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶,其它还有胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶等。此外,青霉素酰化酶也可用于对映选择性水解手性的羧酸酯或酰胺。
酯酶或蛋白酶催化的手性底物酯可分为两种类型:Ⅰ型酯为手性羧酸与非手性醇构成的酯;Ⅱ型酯为手性醇与非手性羧酸构成的酯。无论是哪种类型的手性酯,都要求手性中心尽可能在反应位点的附近,酶才能显示其手性识别的能力。因此,一般的酶在催化拆分α2取代的手性酸或手性仲醇时,效果较好,而在拆分β2取代的手性酸或手性伯醇时,则效果一般不太理想。为了提高酶反应的速度,一般要求酯的非手性醇基或手性酸基部分尽可能小,并且最好带有吸电子基团。例如,Ⅰ型酯的醇基部分常使用甲基、乙基、甲氧甲基、氰甲基、22卤乙基等;而Ⅱ型酯的酰基部分则常使用乙酰基、丙酰基、丁酰基及卤代乙酰基等。
非水相酶反应技术的发展为各种水解酶提供了另一种更为简单、高效的合成应用途径,即逆水解反应。将固体酶粉或固定化酶颗粒直接悬浮在非水溶剂或无溶剂系统中催化外消旋手性醇或手性酸的酯化或转酯化反应,有许多显著的优点,包括底物容易溶解、产物易于回收、酶的稳定性提高、便于循环使用等。虽然酶在非水相系统催化酯合成反应的速度可能要比它在水溶液体系中催化酯水解反应的速度
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要低很多倍甚至几个数量级,但这一问题可以通过使用活性很高的商品酶得到部分的解决,而在酯化反应中使用活化的酰基供体(如酸酐、烯醇酯等)也可以大幅度加快酶促酯化或转酯化反应的速度。此外,由于酶在非水反应体系中的稳定性很好,可以重复使用很多批次,因此,合成单位产品所消耗的酶量并不见得多,加之许多水解酶(如脂肪酶和蛋白酶)的价格一般比较便宜,大批量购买时还可以大幅度优惠,这就使得一些使用非水相酶促拆分手性化合物的反应在工业上变得可行。例如,德国BASF公司已经建立了酶法拆分手性仲醇和手性胺的技术平台;浙江大学使用非水相酶催化技术生产(S)2烯丙醇酮和(S)2氰醇等拟除虫菊酯中间体的工艺也已经在工业上大规模应用。
脂肪酶不但能催化甘油酯的水解或酯交换,而且能催化手性胺的对映选择性酰化反应,生成(R)2酰胺而保留光学纯的(S)2胺。例如,BASF公司将来自Burkholderiaplantarii的脂肪酶固定在聚丙烯酸树脂上,在甲基叔丁基醚溶剂中催化甲氧基乙酸乙酯与(R,S)212苯乙胺的酰基转移反应,对映选择率非常高(E>500),(S)212苯乙胺的对映体过量值e.e.:>99%;(R)2酰胺e.e.93%;酶的稳定性极高,可以重复使用1000次以上,目前在BASF的年产量超过100t。
由于手性化合物的结构多种多样,在不对称生物催化合成中要取得满意的立体选择性,通常必须在非常多样性的生物催化剂中进行广泛的筛选。筛选的范围除了数量有限的商品酶制剂外,还可以从无限多样的天然微生物酶库以及试管进化的人工酶库中进行高通量的筛选。通过这样的定向筛选,一般能获得对映选择性比较理想、催化性能比较优良的产酶微生物菌种。这些自行开发的产品专一性生物催化剂具有自主的知识产权,涉及整个生物催化工艺的核心技术,应当首先申请专利保护,然后对产酶发酵工艺进行系统的优化,以便获取高表达的酶活力。如果是胞外酶,那么只需将待转化的底物加入发酵上清液中即可进行反应,如有必要,也可通过无机盐析或有机溶剂沉淀将酶从溶液制备成干粉,便于储藏或运输;如果是胞内酶,那么只需将细胞分离、洗涤后制成静息细胞,再悬浮于适当的缓冲液中即可催化手性底物的不对称转化。必要时也可对细
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胞进行固定化,以便回收循环使用。总之,用自制的粗酶液或整体细胞直接进行生物催化反应,是工业上比较可行的一种有效途径,值得进一步研究和推广。
利用水解酶拆分手性化合物的例子可以说是不胜枚举。华东理工大学曾从土壤中筛选分离到一株不动杆菌YQ231,用其固定化细胞催化拆分手性农药中间体(RS)2烯丙醇酮醋酸酯,经过1d反应后可获得光学纯度在90%以上的(S)2烯丙醇酮。这一技术已获得国家发明专利,并部分转让给江苏扬农化工股份有限公司。又如,在华东理工大学最近申报的另一项发明专利中,利用自行筛选的沙雷氏杆菌ECU1010,经过摇瓶发酵的初步优化,胞外脂肪酶的活力已达到10000uΠL以上。利用未经任何处理的发酵上清液,在水-有机溶剂两相系统中,直接催化转化高浓度的手性环氧酯底物(对甲氧苯基缩水甘油酸甲酯,100～200gΠL),搅拌反应几h后,静置分离有机相,经过简单的蒸发浓缩和结晶,即可获得光学纯度>99%e.e.的地尔硫卓手性前体。该产品的市场规模大约在3000t左右,目前主要从印度进口,因此该技术实现产业化后可以为国家节约大量外汇,经济和社会效益将非常显著。
利用水解酶拆分手性化合物的另一个典型例子是,江南大学利用戊二醛交联固定化的霉菌细胞(含内酯水解酶)催化拆分DL2泛解酸内酯,目前已实现大规模产业化,该技术获得2003年度国家技术发明二等奖。以上事实表明,生物催化的不对称合成技术在我国已进入产业化应用开发的成长期,只要政府加以因势利导和有力支持,在未来5～10年将掀起我国生物催化技术研究、开发和产业化的高潮。
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