脱卤酶库的构建及其反应多样性研究

脱卤酶是一类能从卤族有机化合物上使卤族离子释放出来的酶的统称，具有作用底物类型广，反应类型众多，产物类型多样化的特点。脱卤酶可以解决传统的化学脱卤反应存在温度过高、副反应多、选择性差、产物纯度低等问题，因而在合成具有重要而广泛的用途。目前从合成生物学的角度来研究脱卤酶还是空白。合成生物学的研究内容主要包括设计与构建新的生物零件、组件及系统，其中的核心是零件的设计与构建。由于脱卤酶所具有的多样性特点，其所催化的脱卤反应可被用作多种反应零件，是合成生物学中一个潜在的重要组件。本项目拟采用合成生物学的理念，采用现代分子生物学技术对现有的脱卤酶进行重新设计和改造，构建适合各种反应条件和合成要求的脱卤酶库；同时，以脱卤反应为模型，建立对反应零件进行标准化和工具化的系统方法，构建脱卤反应零件。因此，本项目的研究具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

脱卤酶可以解决传统的化学脱卤反应存在温度过高、副反应多、选择性差、产物纯度低等问题，因而在合成具有重要而广泛的用途。通过项目研究，成功克隆、表达了R-2-卤代酸脱卤酶，S-2-卤代酸脱卤酶，3-氯丙酸脱卤酶和卤代醇脱卤酶等多种脱卤酶，并通过定向进化、定点突变等方法对上述脱卤酶进行分子改造，获得脱卤酶文库；针对各类底物，通过酶学性质、酶动力学研究对反应进行评价；通过理性设计/半理性设计/随机突变等方法改善了脱卤酶的催化性能，包括酶活和底物耐受性等，首次揭示了卤代醇脱卤酶HHDH活力受COBE（4-氯乙酰乙酸乙酯）抑制的机理：COBE与HHDH活性中心的Ser132和Tyr145结合，占据了该酶的催化活性位点；构建了系列脱卤酶反应零件和氧化还原酶-卤代醇脱卤酶模块。首次使用一菌多酶法，以卤代酮为出发底物，制备手性β-羟基腈；并探索了运用脱卤酶制备多种羟基酸、手性卤代酸、手性羟基腈，构建基于脱卤反应的化学品生物合成平台。