生物催化在制药工业的应用

1 酶及其合成应用：概述1

1.1 引言1

1.2 酶的分类1

1.3 酶的发现及优化2

1.4 酶的生产2

1.5 酶在合成反应中的应用3

1.5.1 酮还原酶(EC1.1.1.2 )3

1.5.2 烯醇还原酶或烯还原酶(EC1.3.1.1 6)3

1.5.3 加氧酶(EC1.1 3.×.×.和EC1.1 4.×.×.)4

1.5.4 醇氧化酶(EC1.1.3.×)6

1.5.5 过氧化物酶(EC1.1 1.1.×)6

1.5.6 卤化酶6

1.5.7 腈水解酶(EC3.5.5.1 )7

1.5.8 腈水合酶(EC4.2.1.8 4)8

1.5.9 环氧水解酶(EC3.3.2.×)8

1.5.10 ω转氨酶(EC2.6.1.×)9

1.5.11 羟腈裂解酶(EC4.1.2.×)9

1.5.12 醛缩酶10

1.5.13 糖苷水解酶(EC.××××)10

1.5.14 糖基转移酶(EC2.4.×.×)12

1.6 本章小结13

参考文献13

2 用于酶发现与生产的表达宿主19

2.1 引言19

2.2 如何选择表达系统20

2.3 原核表达系统22

2.3.1 在原核生物中进行翻译后修饰22

2.3.2 大肠杆菌22

2.3.3 芽孢杆菌24

2.3.4 荧光假单胞菌25

2.3.5 其他原核表达系统25

2.4 真核表达系统26

2.4.1 酵母27

2.4.2 丝状真菌30

2.4.3 昆虫/杆状病毒系统31

2.4.4 哺乳动物细胞培养32

2.4.5 其他表达系统33

2.5 无细胞表达系统33

2.6 本章小结35

参考文献35

3 酶的定向进化和高通量筛选46

3.1 引言46

3.2 定向进化DNA文库创建的策略47

3.2.1 随机突变和半理性设计突变48

3.2.2 基因重组49

3.3 定向进化DNA文库的筛选/选择方法52

3.3.1 利用遗传互补进行体内检测52

3.3.2 利用化学互补进行体内检测53

3.3.3 利用表面展示进行体内检测53

3.3.4 利用裂解液进行体外检测55

3.3.5 利用核糖体展示进行体外检测55

3.3.6 体外检测方法：体外区域化55

3.3.7 仪器化和自动化56

3.4 工业化应用案例56

3.4.1 提高活性56

3.4.2 提高热稳定性58

3.4.3 改变底物专一性58

3.4.4 改变产物专一性59

3.4.5 提高对映选择性59

3.5 结论和展望60

参考文献60

4 反应工程在工业生物转化中的应用65

4.1 引言65

4.2 代谢生物转化66

4.3 酶促生物转化66

4.3.1 辅助因子再生67

4.3.2 外消旋化混合物69

4.3.3 平衡转化率72

4.3.4 副产物的形成75

4.3.5 底物抑制78

4.3.6 底物的低溶解性81

4.4 本章小结82

参考文献84

5 利用羟腈裂解酶合成手性药物中间体89

5.1 引言89

5.2 羟腈裂解酶89

5.2.1 羟腈裂解酶的天然功能和分布89

5.2.2 羟腈裂解酶的分类90

5.2.3 新型羟腈裂解酶和高通量筛选方法93

5.3 羟腈裂解酶催化的反应95

5.3.1 反应体系95

5.3.2 酶的固定化97

5.3.3 连续式反应器97

5.3.4 亨利反应98

5.4 氰醇的转化反应99

5.4.1 羟基的转化99

5.4.2 腈基/氰基的转化99

5.4.3 分子内反应102

5.5 本章小结104

参考文献105

6 醛缩酶作为有机合成工具的应用拓展111

6.1 定向进化和理性突变111

6.2 反应工程114

6.3 野生型醛缩酶广泛的底物耐受性115

6.4 本章小结117

参考文献117

7 酮还原酶和醇氧化酶的合成应用120

7.1 酮还原酶120

7.1.1 野生菌的整细胞催化120

7.1.2 重组菌的整细胞催化123

7.1.3 分离酶催化127

7.2 醇氧化酶138

7.2.1 伯醇氧化酶138

7.2.2 仲醇氧化酶141

参考文献142

8 腈水合酶和腈水解酶的应用150

8.1 引言150

8.2 腈水合酶150

8.2.1 新型腈水合酶150

8.2.2 应用150

8.3 腈水解酶160

8.3.1 新型腈水解酶160

8.3.2 应用163

8.4 本章小结173

参考文献173

9 药物代谢产物的生物合成179

9.1 引言179

9.2 利用哺乳动物生物反应器合成药物代谢物181

9.2.1 体外系统的选择182

9.2.2 反应条件的优化184

9.2.3 大规模反应187

9.2.4 哺乳动物细胞生物反应器实例188

9.2.5 体内转化实例189

9.3 利用微生物反应器合成药物代谢物190

9.3.1 用于代谢产物结构阐释的微生物反应器190

9.3.2 用于关键代谢产物合成的微生物反应器191

9.3.3 菌种的筛选191

9.3.4 微生物的糖苷结合作用194

9.3.5 大规模反应195

9.3.6 利用微生物反应器合成药物代谢物实例196

9.4 重组酶生物反应器198

9.4.1 利用细胞色素P450单加氧酶合成药物代谢产物的优势200

9.4.2 人类细胞色素生物催化剂201

9.4.3 微生物细胞色素P450酶201

9.5 本章小结202

致谢203

参考文献203

10 整细胞生物转化在制药工业中的应用209

10.1 引言209

10.1.1 用于药物商品化生产的整细胞生物转化过程209

10.1.2 整细胞生物转化用于合成手性药物中间体210

10.2 整细胞生物转化相比于分离酶催化的劣势212

10.2.1 低浓度条件下的底物利用及产物回收212

10.2.2 发生不需要的副反应212

10.2.3 底物和产物的细胞毒性212

10.3 整细胞生物转化相比于分离酶催化的优势212

10.3.1 比分离酶来源更稳定213

10.3.2 辅酶再生和多酶协同反应213

10.3.3 多样性和易获得性213

10.3.4 使用非商业化可得的分离酶催化制备级合成反应213

10.3.5 成本效应及操作便利性214

10.4 克服整细胞生物转化劣势的方法214

10.4.1 利用吸附树脂调控底物和产物的浓度214

10.4.2 固定化细胞技术215

10.4.3 水有机溶剂两相体系216

10.4.4 基因工程的方法217

10.5 本章小结218

参考文献219

11 药用天然产物的组合生物合成223

11.1 引言223

11.2 组合生物合成：结构衍生的天然方法224

11.3 药用天然产物的组合生物合成实例227

11.3.1 红霉素(聚酮化合物的生物合成)227

11.3.2 达托霉素(非核糖体聚肽的生物合成)230

11.3.3 patellamide(核糖体聚肽的生物合成)232

11.4 小结与展望234

参考文献235

12 代谢工程在药物开发和生产中的应用241

12.1 引言241

12.2 代谢工程的工具242

12.2.1 细胞代谢网络分析工具242

12.2.2 用于理性遗传改造的工具244

12.3 聚酮类药物研发中的代谢工程调控246

12.3.1 聚酮化合物的生物合成246

12.3.2 利用代谢工程手段改进红霉素生产246

12.3.3 利用代谢工程在异源宿主中高浓度生产6脱氧红霉素内酯B247

12.3.4 其他聚酮化合物生产中的代谢工程调控249

12.3.5 新型聚酮类药物的研究进展249

12.4 β内酰胺生产中的代谢工程调控250

12.5 类异戊二烯生产中的代谢工程调控251

12.5.1 类异戊二烯的生物合成途径252

12.5.2 通过代谢工程的调控增加异戊烯化合物合成前体的供应252

12.5.3 青蒿素研发和生产中的代谢工程调控254

12.5.4 类胡萝卜素生产中的代谢工程调控254

12.5.5 紫杉醇研发和生产中的代谢工程调控255

12.6 本章小结258

参考文献258

13 多模块合成酶和各组成模块用于化学转化反应267

13.1 引言267

13.2 背景267

13.2.1 多模块合成酶的构造267

13.2.2 天然产物生物合成周期270

13.3 宏合酶的代谢工程271

13.3.1 达托霉素：通过域交换进行代谢调控271

13.3.2 阿维菌素：通过定向发酵进行代谢调控274

13.4 用于化学转化的各个结构域277

13.4.1 单个结构域的功能和结构域自主性277

13.4.2 环化277

13.4.3 卤化280

13.4.4 杂环化/芳构化281

13.4.5 甲基化282

13.4.6 氧化284

13.4.7 糖基化285

13.5 本章小结288

参考文献288

14 生物催化剂生产药品中的绿色化学294

14.1 引言294

14.2 酶促拆分：更高得率，更少废物297

14.3 生物还原：更绿色的配体，可再生的氢化物供体，无需金属300

14.3.1 酶法氧化：清洁、高选择性和催化性302

14.4 CC键形成：最高的原子经济性303

14.5 小结与展望305

参考文献305

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