张晓健, 刘倩, 柳志强, 郑裕国

化工进展 2021, 40 (3): 1142-1160. DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2124

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手性醇是重要的医药中间体与精细化工品，立体选择性羰基还原酶催化制备手性醇具有重要的研究与应用价值，受到国内外科学家和工程师的高度关注。本文主要围绕羰基还原酶的发现与分类、催化羰基还原反应的活性与立体选择性机制、酶的筛选挖掘与分子改造技术、辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）的再生方法、羰基还原酶催化合成手性醇医药中间体与精细化学品技术开发与应用等方面展开综述。重点阐述了羰基还原酶催化制备降血脂、抗细菌或病毒感染、抗肿瘤、抗抑郁症、抗癫痫等重要疾病治疗药物中间体及脂肪族、芳香族手性醇精细化工品的国内外技术进展与应用，为高效能立体选择性生物催化剂的创制和手性化合物的生物合成提供理论借鉴和成功范例。

羰基还原酶为辅酶NAD(P)H依赖型酶，其催化的手性醇制备过程需要辅酶参与。但外源辅酶价格昂贵，无法大量添加，细胞内的天然辅酶再生系统又无法满足高强度工业催化的需要，高效的辅酶再生技术成为手性醇生物合成的重要研究方向。目前主要的辅酶再生技术包括酶法、电化学法、光化学法和化学法等。酶促辅酶再生技术工艺简单、成本低廉，与羰基生物不对称还原过程相容性好，在羰基还原酶催化领域应用最为广泛。根据酶与底物偶联方式的不同，可将其分为“酶-偶联”法和“底物-偶联”法[52-55]。“酶-偶联”法即双酶双底物偶联法，需要脱氢酶以及辅底物参与氧化型辅酶NAD(P)+转化为还原型辅酶NAD(P)H，或将还原型辅酶转化成氧化型。目前已报道的脱氢酶包括甲酸脱氢酶（FDH）、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（GDPH）、葡萄糖脱氢酶（GDH）及醇脱氢酶（ADH）等。对应的辅底物分别为甲酸、葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖、乙醇和异丙醇等（表1）。Liu等[56]成功构建了羰基还原酶和葡萄糖脱氢酶共表达的重组大肠杆菌，在水-有机两相反应体系中催化4-氯-3-氧代丁酸乙酯（COBE）不对称还原，(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯(S)-CHBE的产率为97.2％，e.e.为99％。“底物-偶联”法即单酶双底物辅酶再生体系，与“酶-偶联”法相比较为简单，仅需一种羰基还原酶同时催化羰基不对称还原与辅酶再生，具有较高的催化效能，该技术常用的辅底物有异丙醇、乙醇等[55]。Zhang等[57]利用来源于Lactobacillus kefiri的羰基还原酶，构建酶-辅酶共固定化技术，以异丙醇为底物实现辅酶循环利用，催化(3R,5S)-6-氯-3,5-二羟基己酸叔丁酯的合成，底物浓度达200g/L，无需外源辅酶添加，固定化酶重复利用40批次，各批次产物产率均大于96%，e.e.>99%。