本书系统总结了酶工程领域的基本知识和最新进展，共计16 章，包括酶工程的发展历程，酶的筛选与大数据挖掘方法、结构与功能解析、设计改造方法、高效筛选方法、表达与分离纯化、级联反应设计、人工途径设计、催化反应介质与固定化等，以及酶在生物催化、饲料食品、日化用品及医药农药化工等领域的应用。本书内容注重前沿理论和交叉技术的融合，将酶工程新技术和新的应用场景、新的交叉拓展领域囊括其中，诸如计算化学、新酶设计、化学酶催化、光酶催化等与新的学科领域交叉取得的新进展，此外还包括酶学和酶工程相关的新技术、新应用。
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第1章 酶工程发展历程与展望 1
1.1 酶的发现、认识与酶工程诞生 1
1.1.1 酶的发现与认识 1
1.1.2 酶的命名和分类（一基因一酶假说） 3
1.1.3 酶结构功能与作用机制 5
1.1.4 酶的工业应用与酶工程诞生 8
1.2 经典生物化学时代的酶工程发展状况 9
1.2.1 酶的制备、分离纯化与酶工程发展 9
1.2.2 酶反应动力学研究与酶工程发展 10
1.2.3 酶的化学修饰与酶工程发展 11
1.2.4 酶的固定化研究与酶工程发展 11
1.3 分子生物学时代的酶工程发展状况 12
1.3.1 工具酶的发现和酶的异源表达生产 12
1.3.2 酶的定点突变与酶工程的发展 13
1.3.3 酶的定向进化与酶工程的发展 14
1.3.4 基因组测序与酶的发现及应用 15
1.4 合成生物学时代的酶工程发展状况 16
1.4.1 酶的计算设计与酶工程发展 16
1.4.2 深度机器学习与酶的设计及应用 16
1.5 多学科交叉融合对酶工程发展的影响 17
1.5.1 化学学科对酶工程发展的影响 17
1.5.2 材料学科对酶工程发展的影响 18
1.6 总结与展望 18
参考文献 18
第2章 酶的筛选与大数据挖掘 21
2.1 环境筛选 21
2.1.1 含微生物样品的采集 22
2.1.2 含微生物样品的富集培养 24
2.1.3 产酶微生物的筛选 25
2.2 宏基因组挖掘 26
2.2.1 环境样品的处理和DNA的分离 26
2.2.2 宏基因组文库构建 27
2.2.3 宏基因组文库筛选 28
2.3 大数据挖掘 30
2.3.1 大数据挖掘的基本方法 30
2.3.2 相关的数据库介绍及优缺点 31
2.3.3 基于大数据的相关获得酶基因的解析 34
2.4 酶基因合成 36
2.4.1 基因合成新技术 36
2.4.2 基因合成的理性设计 41
2.4.3 酶合成基因的表达及性能表征 43
2.5 总结与展望 46
参考文献 46
第3章 酶的结构与功能 55
3.1 酶一级序列的保守性与多样性 55
3.1.1 一级序列氨基酸组成 56
3.1.2 一级序列氨基酸残基的功能保守性 56
3.1.3 一级序列的遗传多样性 57
3.2 蛋白质功能执行的二级结构基础 57
3.2.1 α螺旋 57
3.2.2 β折叠 58
3.2.3 其他二级结构 59
3.2.4 高级结构单元超二级结构 60
3.3 酶的三级结构 61
3.3.1 蛋白质空间结构稳定因素 61
3.3.2 蛋白质折叠途径 62
3.4 蛋白质结构解析方法 63
3.4.1 X射线晶体衍射 63
3.4.2 核磁共振 64
3.4.3 冷冻电镜 65
3.4.4 蛋白质结构预测 66
3.5 酶的构效关系 67
3.5.1 酶结构与功能对应关系 68
3.5.2 酶结构与功能的进化 70
3.5.3 酶构效关系的调控 71
3.6 酶的功能 72
3.6.1 酶催化反应类型 73
3.6.2 酶活性口袋与识别 76
3.6.3 影响酶催化效率的因素 77
3.7 总结与展望 77
参考文献 78
第4章 酶催化化学与计算解析 84
4.1 酶的化学反应机制 84
4.1.1 酶对底物识别的分子机制 85
4.1.2 酶催化选择性的理论分析 86
4.1.3 酶催化的化学机制 87
4.2 酶反应机制及化学分析方法 87
4.2.1 研究酶催化反应机制的意义 87
4.2.2 研究酶反应机制的实验方法 89
4.2.3 研究酶反应机制的理论方法 90
4.3 酶反应热力学计算 96
4.3.1 酶催化反应的量热学 96
4.3.2 酶反应中的过渡态及中间体 97
4.3.3 酶反应的热力学计算 97
4.4 酶反应动力学 99
4.4.1 酶促反应高效性的动力学分析 100
4.4.2 酶反应动力学计算 101
4.5 酶的构效关系计算解析 102
4.5.1 影响酶反应关键结构因素分析 102
4.5.2 酶活性中心结构与反应机制的理论计算 102
4.5.3 酶催化反应构效关系 107
4.5.4 酶的理性设计 109
4.6 总结与展望 111
参考文献 111
第5章 酶的计算设计方法与应用 118
5.1 酶设计简介 118
5.1.1 酶的理性与非理性设计历史 118
5.1.2 蛋白质的计算设计简介 119
5.1.3 酶的计算设计简介 119
5.2 酶的计算设计方法：策略、软件与算法 120
5.3 酶计算设计的应用 122
5.3.1 酶的从头设计 122
5.3.2 酶与生物大分子的相互作用设计 124
5.3.3 酶与有机小分子的相互作用设计 126
5.3.4 金属酶的计算设计 128
5.3.5 非催化位点的计算设计 129
5.3.6 酶的计算设计在合成生物学中的应用 131
5.4 酶的稳定性设计 133
5.5 总结与展望 135
参考文献 135
第6章 酶的分子改造与修饰 139
6.1 酶分子改造概述 139
6.1.1 酶分子改造历史进程 139
6.1.2 酶分子改造常用策略 140
6.1.3 酶改造早期应用 141
6.2 酶的物理化学修饰 141
6.2.1 常用修饰方法 141
6.2.2 修饰原理 142
6.2.3 应用实例 142
6.3 酶定向进化 143
6.3.1 易错PCR 144
6.3.2 DNA混编 145
6.3.3 饱和突变 146
6.3.4 应用实例 147
6.4 半理性设计 147
6.4.1 常用策略 147
6.4.2 CAST与ISM 149
6.4.3 应用实例 151
6.5 理性设计 152
6.5.1 关键氨基酸残基位点定位 153
6.5.2 虚拟突变筛选 156
6.5.3 精简密码子设计 157
6.5.4 应用实例 158
6.6 机器学习 159
6.6.1 概述 159
6.6.2 常用策略 160
6.6.3 应用实例 161
6.7 总结与展望 163
参考文献 163
第7章 酶的高效筛选 173
7.1 孔板筛选 174
7.1.1 孔板筛选的流程和策略 174
7.1.2 酶筛选底物设计 175
7.1.3 多酶级联检测体系 177
7.2 流式细胞仪单细胞筛选 178
7.2.1 FACS筛选策略 178
7.2.2 FACS筛选荧光底物设计 180
7.2.3 基于生物传感器的FACS筛选 182
7.2.4 应用实例 183
7.3 液滴微流控筛选技术 184
7.3.1 微流控芯片技术概述 184
7.3.2 基于液滴微流控技术的荧光激活液滴分选系统 185
7.3.3 微液滴中的酶活性荧光偶联策略 186
7.3.4 荧光激活液滴分选的酶改造筛选应用 188
7.4 展示技术 190
7.4.1 细胞表面展示技术及应用实例 191
7.4.2 噬菌体展示技术及应用实例 192
7.4.3 核糖体/mRNA展示技术及应用实例 194
7.5 生长偶联 195
7.5.1 生长补充法 197
7.5.2 利用对特定分子的抗性进行目标酶的筛选 197
7.5.3 噬菌体辅助的进化技术 198
7.6 总结与展望 201
参考文献 202
第8章 酶的表达与分离纯化 209
8.1 概述 209
8.2 酶的微生物表达 209
8.2.1 酶生产菌种的要求和来源 209
8.2.2 常用微生物菌种及其研究进展 210
8.2.3 菌株改造策略 217
8.3 发酵条件优化 219
8.3.1 发酵培养条件 219
8.3.2 发酵过程监测传感器与过程优化 221
8.3.3 发酵工艺优化 225
8.4 酶的提取与分离纯化 227
8.4.1 产酶料的选择 227
8.4.2 组织和细胞的破碎 227
8.4.3 酶的抽提 228
8.4.4 酶纯化工艺的建立与优化 228
8.5 总结与展望 233
参考文献 234
第9章 体内多酶级联反应设计 239
9.1 体内多酶级联反应概述 239
9.1.1 体内多酶级联反应定义 239
9.1.2 体内多酶级联反应发展历程和现状 239
9.1.3 体内多酶级联反应的优势和所面临的挑战 240
9.2 体内多酶级联反应途径设计 240
9.2.1 天然途径的重构 240
9.2.2 天然途径的改造或重组 241
9.2.3 从底物到产物的顺序推导 243
9.2.4 从产物到底物的逆合成分析 243
9.3 辅因子循环体系的设计 244
9.3.1 辅因子循环体系与代谢路径非关联 245
9.3.2 辅因子循环体系与代谢路径关联 247
9.3.3 反应路径和辅因子循环体系均与代谢路径关联 247
9.4 体内多酶级联反应途径优化 249
9.4.1 底物适配性优化 249
9.4.2 反应协同性优化 250
9.4.3 环境兼容性优化 250
9.5 体内多酶级联反应的应用 252
9.5.1 C—H功能化形成C—X键 252
9.5.2 大宗化学品高值化 254
9.6 总结与展望 257
参考文献 258
第10章 体外多酶分子机器 263
10.1 体外多酶分子机器概述 263
10.2 体外多酶反应途径的设计 265
10.2.1 天然催化途径与非天然催化途径 265
10.2.2 热力学驱动的反应途径设计 268
10.2.3 提高底物原子经济性的反应途径设计 270
10.3 辅酶相关的体外多酶分子机器的设计 271
10.3.1 辅酶偏好性改造 271
10.3.2 辅酶再生 274
10.3.3 辅酶浓度调控 277
10.4 体外多酶分子机器的优化 278
10.4.1 一锅法的反应条件优化 279
10.4.2 分步反应 280
10.5 体外多酶分子机器的应用 280
10.5.1 生物燃料的体外多酶合成 281
10.5.2 糖类的体外多酶合成 282
10.5.3 手性分子的体外多酶合成 283
10.5.4 高分子聚合物的体外多酶合成 284
10.6 总结与展望 285
参考文献 285
第11章 化学-酶偶联催化 293
11.1 概述 293
11.1.1 酶催化反应的优势 294
11.1.2 化学-酶偶联催化的模式 295
11.2 分步同釜化学-酶偶联催化模式 297
11.2.1 模式特点 297
11.2.2 挑战及解决方案 297
11.2.3 进展与实例 297
11.3 同步同釜化学-酶偶联催化模式 302
11.3.1 模式特点 302
11.3.2 挑战及解决方案 302
11.3.3 化学-酶偶联动态动力学拆分 302
11.3.4 化学-酶偶联去消旋化反应 308
11.3.5 其他同步同釜化学-酶偶联反应 314
11.4 总结与展望 315
参考文献 315
第12章 光促酶催化 321
12.1 概述 321
12.2 光促进的酶催化混杂性 322
12.2.1 光促羰基还原酶催化混杂性 322
12.2.2 光促烯还原酶催化混杂性 323
12.3 光促化学催化与酶催化反应的偶联 323
12.3.1 光促化学催化与酶催化偶联反应的类型与特点 323
12.3.2 光催化产H2O2与过氧化（物）酶偶联 324
12.3.3 光催化异构化与烯还原酶偶联 325
12.3.4 光催化迈克尔加成与羰基还原酶偶联 325
12.3.5 光催化氧化与脂肪酶反应偶联 326
12.3.6 C—H的光催化氧化与多种酶反应偶联 326
12.3.7 光催化消旋化与脂肪酶 / 单胺氧化酶偶联 328
12.3.8 光催化脱羧与脂肪酶偶联 329
12.4 光促产生的电子促进的氧化还原酶催化反应 330
12.4.1 光促产生的电子转移至酶中血红素 331
12.4.2 光促产生的电子转移至酶中铁硫簇 332
12.4.3 光促产生的电子转移至酶结合的辅基黄素 332
12.5 光促产生的电子转移至游离的辅酶因子NAD(P)+ 334
12.6 光促酶/光酶 336
12.6.1 原叶绿素酸酯氧化还原酶 337
12.6.2 光解酶 337
12.6.3 光系统 338
12.6.4 光脱羧酶 338
12.7 总结与展望 339
参考文献 340
第13章 酶催化反应介质及其影响 343
13.1 概述 343
13.1.1 酶催化反应的基本概念与定义 343
13.1.2 酶催化反应的历史 343
13.1.3 酶催化反应介质的重要性及其类型 344
13.2 水相中酶催化 345
13.2.1 水相中酶催化特性 345
13.2.2 水相中酶催化的影响因素 346
13.2.3 水相中酶催化的应用 349
13.3 有机相中酶催化 350
13.3.1 有机介质中酶催化特性 350
13.3.2 有机介质中酶催化的影响因素 352
13.3.3 有机介质中酶催化的应用 353
13.4 离子液体中酶催化 354
13.4.1 离子液体的定义及类型 354
13.4.2 离子液体的制备及性质 356
13.4.3 离子液体中酶催化特性 357
13.4.4 离子液体对酶催化反应的影响规律及机制 358
13.4.5 离子液体中酶催化的应用 360
13.4.6 离子液体的回收与重复利用 361
13.5 深度共熔溶剂中酶催化 362
13.5.1 深度共熔溶剂的定义及类型 362
13.5.2 深度共熔溶剂的制备及性质 364
13.5.3 深度共熔溶剂中酶催化特性 368
13.5.4 深度共熔溶剂中酶催化的影响因素 370
13.5.5 深度共熔溶剂中酶催化的应用 371
13.5.6 深度共熔溶剂的回收与重复利用 372
13.6 多相介质体系中酶催化 373
13.6.1 多相介质体系中酶催化的基本概念 373
13.6.2 多相介质体系中酶催化的影响因素 375
13.6.3 多相介质体系中酶催化反应类型与应用 376
13.7 反应介质工程在酶催化中面临的机遇与挑战 378
参考文献 378
第14章 酶的固定化与全细胞催化 384
14.1 概述 384
14.1.1 体外酶催化过程 384
14.1.2 环境因素对酶的影响 385
14.2 酶固定化方法和载体 388
14.2.1 酶固定化方法 388
14.2.2 酶固定化载体 390
14.2.3 固定化酶性能评价 393
14.3 固定化酶催化 394
14.3.1 固定化酶催化单液相反应过程 394
14.3.2 固定化酶催化双液相反应过程（包括水相-有机相） 395
14.3.3 固定化酶催化气液相反应过程（包括气相-液相） 396
14.4 新型纳米酶催化 396
14.4.1 框架材料固定化酶催化 396
14.4.2 仿生微囊固定化酶催化 397
14.4.3 纳米凝胶固定化酶催化 399
14.5 细胞固定化方法与载体 400
14.5.1 细胞固定化方法 400
14.5.2 细胞固定化载体 402
14.5.3 固定化细胞评价方法 403
14.6 全细胞催化 404
14.6.1 固定化细胞催化单液相反应过程 404
14.6.2 固定化细胞催化双液相反应过程 406
14.7 总结与展望 407
参考文献 407
第15章 酶制剂在饲料食品及日化用品中的应用 413
15.1 工业酶制剂的定义与种类 413
15.1.1 工业酶制剂的定义 413
15.1.2 工业酶制剂的种类 414
15.2 工业酶制剂的制备工艺 419
15.2.1 种子扩大培养 419
15.2.2 酶制剂发酵工艺 424
15.2.3 酶制剂制备工艺 428
15.3 酶制剂在饲料中的应用 431
15.3.1 饲用酶制剂的定义 431
15.3.2 饲用酶制剂的种类 432
15.3.3 饲用酶制剂的应用方式 432
15.3.4 饲用酶制剂的作用原理和应用效果 432
15.4 酶制剂在食品中的应用 436
15.4.1 酶制剂在淀粉加工中的应用 436
15.4.2 酶制剂在蛋白质加工中的应用 437
15.4.3 酶制剂在油脂加工中的应用 438
15.4.4 酶制剂在酿酒加工中的应用 439
15.4.5 酶制剂在烘焙加工中的应用 439
15.4.6 酶制剂在果蔬加工中的应用 440
15.5 酶制剂在日化用品中的应用 441
15.5.1 在日化用品中的应用 441
15.5.2 在洗衣粉中的应用 441
15.5.3 在肥（香）皂中的应用 442
15.5.4 在液体洗涤剂中的应用 442
15.5.5 牙膏中的酶制剂 444
15.5.6 日化用品的发展对酶制剂的新挑战 444
15.6 酶制剂在纺织造纸中的应用 445
15.6.1 酶制剂在纺织染整加工中的应用 445
15.6.2 酶制剂在制浆造纸工业中的应用 447
15.7 总结与展望 449
参考文献 449
第16章 工业酶在医药农药化工中的应用 453
16.1 概述 453
16.2 原料药与医药中间体 453
16.2.1 原料药与医药中间体合成状况 453
16.2.2 工业酶在原料药和医药中间体合成中的应用实例 454
16.3 绿色农药 464
16.3.1 绿色农药合成技术状况 464
16.3.2 工业酶在绿色农药合成中的应用实例 465
16.4 天然产物 469
16.4.1 天然产物合成技术状况 469
16.4.2 工业酶在天然产物合成中的应用实例 470
16.5 精细化学品 474
16.5.1 精细化学品合成技术状况 474
16.5.2 工业酶在精细化学品合成中的应用实例 475
16.6 总结与展望 478
参考文献 478
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