新一代生物催化和生物转化的科学基础

项目名称： 新一代生物催化和生物转化的科学基础

起止年限：

依托部门：欧阳平凯 南京工业大学 2009.1至2013.8 江苏省科技厅 首席科学家：

一、研究内容

1．拟解决的关键科学问题

新一代生物催化和生物转化的关键科学问题：（1）生化反应体系中生物质碳资源的高效利用机制；（2）生物催化剂功能实现的分子机理；（3）工业环境下高效生物催化剂的设计原理。

（1）生化反应体系中生物质碳资源的高效利用机制

生物质是自然界最丰富的含碳有机物资源，而生物质碳资源的高效利用是新一代生物催化和生物转化的关键目标。尽管目前生物催化和生物转化已应用于许多工业过程，但自然界野生生物体中存在的生化反应途径，因其自身的生理代谢活动所限，往往无法实现对生物质碳资源高效利用。对于多种生物体协同作用的体系，由于对系统中各生物体之间的物质、能量和信息的传递及调控机制了解不够，故对一些复杂体系无法实现生化反应的高效性，如在低品位生物质资源利用方面。因此，如何对生物催化剂进行合理修饰，提高生化反应体系中生物质碳资源的高效利用是新一代生物催化和生物转化亟需解决的关键科学问题之一。

以几种典型生化反应体系作为研究对象，通过对现有微生物和酶资源的挖掘，深入研究生化途径及反应过程规律，揭示其调控机制，以提高生物质碳资源利用的原子经济性。在此基础上，通过比较基因组学分析、基因操作、分子模拟等手段，通过调控和优化生化反应体系，推动生物质碳资源高效利用的实现。

（2）生物催化剂功能实现的分子机理

生物催化剂的分子机理的解析是进行理性分子修饰改造的科学基础。基因突变或分子进化是微生物功能表型产生差异的分子基础，也是生物催化和生物转化定向性、高效性、高选择性得以实现的根本所在。目前，尽管已积累了大量有关基因组序列、基因表达、蛋白质-蛋白质相互作用和转录因子与DNA 结合等方面的信息，但是微生物基因型和功能表型之间关系研究才刚刚开始，人们对分子水平上生化反应途径关键酶调控机制的认识还不够深入。同时，生物催化剂具有天然多样性，但迄今围绕生物催化剂开展的新生物催化剂来源及新反应等研究主要通过大量的实验获得，经验性较强而缺乏理论支撑。因此，亟需开展生物催化剂的的结构-构象-功能关系及其进化机制的揭示，进而进行生物催化剂的理性改造，为解决生物催化剂的高效性、稳定性和适应性奠定基础。

利用现有国际共享数据库，采用生物信息学和化学生物学手段，开展典型微生物比较基因组学和生物催化剂的构效关系研究，发现和解析生物催化过程中新功能基因及调控网络，优化与改造重要生物催化和生物转化途径，实现关键生物催化剂的理性进化。从理论上阐明基因与功能表型的关系，从本质上揭示生物催化和生物转化的分子机理。

（3）工业环境下高效生物催化剂的设计原理

自然界中存在的生物催化剂，其特有的属性更加趋于其特定的生长环境，而在工业环境下则很难保持原有的分子构象，故催化活性低。即使是经过人工定向改造的生物催化剂，本质属性也决定了其在工业环境使用中的局限性，如稳定性差、活性低、不能重复利用等。因此，如何实现工业环境下生物催化剂的高效利用，是限制生物催化产业快速发展的重大科学问题。目前有关的研究大多停留在宏观层面，尚无全面系统而实用的理论体系形成，根本原因在于缺乏对生物催化剂受环境影响本质的认识。此外，许多化学过程往往通过单酶（细胞）一步生物催化反应往往无法实现，因而目前生物催化已从先前单酶（细胞）催化体系向着多酶（细胞）耦合催化体系的方向发展，构建和利用这种体系，在同一反应器中自由组合不同的生物反应过程将是下一代工业生物催化技术发展所面临的挑战之一。基于生物催化和生物转化途径的解析、生物催化剂构效关系、进化规律等的研究为高效生物催化剂的设计奠定基础。

通过分析现有几种典型生物催化剂与环境的作用原理，发掘生物催化剂在典型工业环境中的共性规律。在此基础上，通过理性设计、定向改造、分子修饰等方法，构建高效生物催化剂，提高生物催化剂与环境的相互适应性，以及生物催化剂之间的协同性，进而提高生物催化的效率。

2．主要研究内容

（1）基于基因组扫描及比较组学等技术，对产有机酸、有机醇与精细化工品（如3-羟基丙酸、氨基酸、丁二酸、丁醇、短支链醇、二羟基丙酮、羟乙/丁酸、烟曲霉酸、类固醇药物等等）的工业平台微生物及其催化过程中所涉及的关键酶，通过纵向监测生物催化剂生产过程中的基因转录、蛋白质表达、代谢流分布、调控信息等的动态变化；结合比较组学，在横向上比较不同直系与旁系催化剂的差异与工业属性之间的内在联系，进而对代谢调控网络、完整功能酶系以及优良工业性状相关酶系或因子的相互作用机制进行解析，揭示优良工业催化剂的分子基础，通过数据集成、模拟、分析与预测，最终建立起代谢网络平台模型、完整功能酶系以及优良工业属性相关酶系或因子的相互作用模型，从而为指导理性改造进化生物催化剂奠定理论基础。研究醇脱氢酶、定位羟化酶、P450酶等若干具有重要工业应用背景的氧化还原酶体系的氧化还原力传递系统与能量耦合机制，揭示体系关键途径及关键酶的构效关系、作用机制与调控机制。通过比较基因组学分析和分子进化手段，构建高效新型生物催化剂。

（2）通过对基因组、代谢组、蛋白组或完整功能酶系的全局分析及计算模拟等技术，基于微生物细胞代谢中的物质平衡、能量平衡以及酶系相互作用的调控机制，对上述重要平台化合物合成、转化途径中的关键节点进行进化改造，提

高限速酶的活性、解除反馈抑制解除经济型相互作用机制，对旁路途径进行阻断或弱化，以提高目标产物的产率和碳源的利用效率；延伸、缩减或重组代谢网络，以获取新目的产物或拓展碳源利用范围或培养方式（例，由好氧培养向厌氧培养的转变）的转变，从而实现生物催化剂的人为理性设计，以实现现代生物产业节能、减排、降耗的目的。以Actinobacillus succinogenes、Rhizopus oryzae等菌株生产丁二酸、富马酸、苹果酸为研究对象，通过代谢扰动、流量计算、网络动态变化规律分析，在现有网络基础上，对代谢网络进行结构预测，拓宽已有网络，建立更为复杂的生物质代谢新网络，探讨丁二酸、富马酸等合成的主要途径与辅助途径间的相互关系，辅助途径与产物合成的作用效益，为菌种改良奠定基础。通过代谢工程和系统生物技术的手段开发高效厌氧发酵产氢菌，通过系统敲除旁路基因和组合表达不同来源氢酶关键基因的方法，构建高效重组产氢菌。利用高效液相色谱（HPLC ），分析重组菌主要代谢产物，对其进行代谢通路建模，解析碳源高效流向氢气的机制，指导混菌培养体系碳代谢流导向的研究，以提高氢气的得率。

（3）研究丁二酸、富马酸、苹果酸等生产过程中微生物的生长特性以及pH 、温度、压力等环境因素对生物质转化的影响，研究不同反应条件下生物反应过程中物质和能量传递规律、耦合机制，研究产物、底物对微生物生物合成的影响，结合所建立的代谢网络模型，通过模拟计算，发掘影响产物合成的关键因素、关键节点、关键酶，研究关键酶的本征动力学，结合模型模拟、模型计算环境因素与关键酶的间接作用规律，发掘影响酶活力的外部因素，为反应途径优化、生物质碳资源的高效利用提供指导。对于特定的产氢菌和产甲烷菌，采用实时定量PCR （RTQ －PCR ）技术，确定目标菌（菌属、功能菌）丰度，定量描述各菌群间的相互关系，特别是不同菌群间的协同作用，结合高效液相色谱（HPLC ）检测微生物菌群代谢产物的分析技术，探讨各种微生物在生物燃气生产过程的作用机制。特别的，进一步定量描述各种微生物（功能微生物、菌属）的丰度对氢气和甲烷产量的影响，确定关键菌株或功能菌属。采用微生物分子生态学研究手段，针对利用秸秆及有机底泥等不同低品位生物质两阶段生产氢气和甲烷的混合微生物培养体系，从定性和定量不同的角度了解生物燃气制备过程中微生物群落的特性和功能。采用原位荧光杂交技术（FISH ）及共聚焦显微观测的方法对菌群种属分布进行定性描述，解析不同生物群落的结构，将生物燃气生产速度与微生物群落结构相关联，了解特定菌群在生物燃气制备中的作用。通过变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE ）的方法，获取组成菌种的16SrDNA 数据库，并通过生物信息学比对建立菌种数据库及菌种间的相互关系（进化树），进而研究不同产气阶段不同菌种与生物燃气生产活性的关联，获取关键产氢菌、产甲烷菌的生物学信息。

（4）研究组成菌种的功能强化效应，从而研究功能微生物制剂与体系内菌

群、功能菌属的相互作用、群体效应，进而研究高效转化生物燃气菌群的控制及生物强化方法。研究生物燃气生产过程中主要微生物种群（产氢菌和产甲烷菌等）的生长规律、生理特性。结合通过分子生态学手段获取的微生物功能基因信息，进行大规模菌种筛选，获取产氢菌4-5株，产甲烷菌4-5株。利用自动微生物鉴定仪(Biolog)快速鉴定菌种，并获取各微生物的碳代谢信息。基于以上数株野生型产氢菌、产甲烷菌和重组产氢菌的特性研究，将不同的菌株进行有机组合，研究微生物菌群的协同效应、以及重组产氢菌生物强化生物燃气制备过程特性。通过Biolog 方法研究微生物菌群的代谢功能，获取不同菌群碳代谢特征；进一步根据Biolog 分析结果，利用HPCL 高通量检测主要代谢产物，建立混合培养条件下菌群间的代谢通路模型，探讨物质、能量在微生物菌群间的传递规律、耦合机制，为低品位生物质能量转化过程的强化及其优化提供依据。在以上研究的基础上，基于各种微生物的生理特性，定量表征环境因子（pH 、ORP 、HRT 、温度等）对生物强化微生物群落体系中关键产氢菌（野生型、生物强化的重组型）、产甲烷菌微生物个体、菌群反应活力及总反应效率的变化影响，解析不同环境条件下微生物菌群间的协同作用及反应顺序的影响，通过微生物强化体系的关键控制点分析、混合微生物催化微环境的调节，控制整体反应向着生物氢气和甲烷生成方向的高效进行，提高整体反应中微生物的协同效率和生物质的能量回收率，促进低品味生物质碳资源的高效生物转化。

（5）借助现代计算模拟技术，利用生物信息学的方法和手段，对生物催化剂的进化规律进行归纳分析与拓展，建立适合大分子蛋白质的分子模拟力场和计算方法，研究典型的酶活性中心的结构及构象变化与催化活性、稳定性、选择性及特殊工业属性的关系。利用分子对接技术和表面分析、轨道分析等手段，建立分子动力学模型，定量描述酶活性中心氨基酸结构与酶催化活性的关系。以分子模拟数据为基础，对特定体系中的关键的酶进行分子模拟分析，从而指导生物催化剂功能的发现和进化研究。基于大量比较组学信息及相关生物信息数据，针对生物催化剂的典型功能酶或代谢网络中关键酶（例，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、醇脱氢酶、P450/黄素单氧化酶、磷酸甘油脱氢酶、氢酶、腈水解酶和脂肪酶等等），分析其在单个基因组和多个基因组中直系同源基因与旁系同源基因的分布特征，对酶序列与结构的进化规律进行并行分析，寻找酶分子可能的进化规律；通过晶体衍射等方法，鉴定特定酶分子的三维空间结构，基于蛋白结构数据库，采用计算模拟等技术，在酶蛋白的立体结构水平上，分析比较酶分子的直系与旁系进化特征，结合实验学的验证，阐释酶的关键结构区域与其优良工业应用性状的内在关联，总结优良的酶分子所应具有的构效机制。基于上述研究，建立酶理性设计的方案，结合蛋白质工程与现化分子生物学技术，对生物催化剂进行理性进化，以实现优良生物催化剂的筛选。通过人工进化的研究，比较不同的进化策略，获得进化途径的一般规律，建立耐热、耐酸/碱的酶突变体数据源，利用已

有计算方法，建立酶活性pH 依赖性、酶活性温度依赖性理论模型；在此基础上，建立快速有效的搜索算法进行计算筛选，预测最为可能的具有耐酸/碱、耐热性等工业属性的突变体序列。利用所建立理论模型与计算系统，进行耐酸/碱、耐热等工业属性的腈水解/水合酶、脂肪酶等酶的理性设计与工程改造，并进行实验验证。

（6）在获得其结构基因的基础上，采用蛋白结构数据库数据和优良软件的合理搭配进行酶蛋白的结构解析与结构建模，结合实验学（随机突变、定点突变、定向突变、 DNA 重组、区域替换等实验手段，以及同位素标记、晶体衍射等方法）的验证，阐释几种关键酶，包括醇脱氢酶、醛酮还原酶、磷酸甘油脱氢酶、P450酶（9-α-羟基化酶）、脂肪酶、硫醚单加氧酶、腈水解酶/腈水合酶和酰胺水解酶等的关键结构区域（酶与底物、酶与辅酶结合的结构域）、活性中心与活性位点，阐释其酶学性质，酶催化反应的机理，酶对底物手性分子识别的规律。在构效关系清楚的情况下，采用定点突变等技术改造酶的催化特异性、底物耐受性或对映选择性，对进化酶进行序列分析和结构功能差异分析，揭示进化酶的构效关系，提高酶库中差异性蛋白的丰度。建立酶催化的底物谱，采用柔性分子对接技术和分子表面分析方法研究酶分子、底物和产物间的相互识别机制，阐明酶的构效关系及产物空间选择性的分子基础。捕获与表征催化中间体，结合分子动力学的量化计算（酶与底物结合状态、过渡态、势能垒等催化进程参数），论证分析酶催化共价中间体的形成与催化过程中酶构象的变化，分析酶与底物相互作用的本征动力学规律，从而揭示生物催化剂对底物和辅酶的识别、作用机制和规律。通过对羧乙基海因酶、γ-谷氨酰转肽酶、腈化合物转化酶、耐热内切菊糖酶等酶的不同修饰，分析其内在柔性的变化，研究不同催化环境下酶结构的变化，分析酶的活性、稳定性等，利用基因敲除、基因修饰等分子生物学手段对酶分子进行改造，同时优化反应环境，使酶、环境高效匹配。

（7）以自行筛选的高强度耐有机溶剂脂肪酶为研究材料，通过改变极端环境的条件和溶剂的种类，使得脂肪酶尤其是其活性中心附近的高级结构也发生相应变化，测定不同酶在不同溶剂体系中的结构及其差异；通过对上述酶的编码基因进行生物信息学分析，利用定点突变等技术手段，结合仪器分析结果，从分子水平上（如二硫键、氨基酸残基间的相互作用及蛋白分子表层的“必需水”维持力等）探寻和揭示新型脂肪酶的溶剂耐受机制，为指导水解酶类耐有机溶剂性能的理性设计和改造提供理论依据。以自行筛选的嗜盐脂肪酶和嗜热纤维素酶为研究材料，用圆二色谱、异核多维NMR 技术测定新酶的溶液结构，用蛋白结晶、X 射线衍射等技术测定酶的三维结构，分析不同酶的结构差异；在获得其结构基因的基础上，采用蛋白结构数据库数据和优良软件的合理搭配进行酶蛋白的结构解析与结构建模，结合定点突变等实验手段，阐释酶的关键结构区域（酶与底物、

酶与辅酶结合的结构域）、活性中心与活性位点。从现有的极端微生物中分离纯化高温、低温、碱性、酸性的单一及复合特性的极端酶蛋白，基于生物信息学分析，结合随机突变或定点突变技术，改造酶的催化特异性、环境耐受性，分析这些蛋白在极端条件下的分子特征，研究温度、pH 、盐度等对极端酶结构中心、催化中心的序列位点之间的关系，分析极端生物催化剂功能与特定分子的关系，从分子结构水平示新型嗜盐脂肪酶的耐受性分子机理，建立极端酶的构效关系，建立酶理性设计的方法，优化改造酶的稳定性与催化活性。以脂肪酶为研究对象，利用分子模拟计算和现代仪器分析手段，解析其在极端条件下的分子特征，研究酶结构中心、催化中心的序列位点以及高级结构和温度、pH 、盐度等因子的相关性；通过化学修饰或者固定化技术实现酶分子的某个或某类氨基酸的特异性修饰，改变或稳定蛋白质的构象，方便、快速、高效地改善其催化特性，提高其在极端环境中的适应性。研究微生物在极端环境下的生理、生化特性，优化反应环境，实现微生物在极端环境下正常生长，高效催化，以满足不同工业生物催化应用的要求。选择拟除虫菊酯为、甾体化合物等化合物为目标化合物，催化制备拟除虫菊酯等目标化合物关键中间体的生物催化剂为具体研究对象，利用介质工程和分子模拟计算等技术，探讨有机溶剂对微生物生理特性、代谢机理、代谢网络的影响，分析溶剂效应，揭示除虫菊酯、甾体化合物等化合物合成用生物催化剂有机溶剂的耐受机理。探求极端环境下虫菊酯、甾体化合物等化合物生产过程中生物催化剂的作用机理，为在极端环境下实现高效生物催化奠定基础。通过改变环境条件，考察极端微生物催化活性、代谢网络流量分配的变化，进而对适合目标化合物生产的环境条件进行优化，促进除虫菊酯、甾体化合物等化合物的生产。开发利用耐有机溶剂等极端条件的新型脂肪酶生产拟除虫菊酯类化合物的成熟工艺，实现高附加值化学品的生物制造。

（8）开发多功能多形态的纳米介质用于固定化酶和辅酶，构建生物分子机器（人工细胞）。合成具有复杂表面结构和功能的纳米介质，控制和保证酶及辅酶分子偶联到纳米粒子表面上后的有效生物活性，提高催化剂的稳定性，实现组分之间的最佳化学配比和空间排布。构建纳米孔暴露于表面的纳米粒子，系统研究如何针对酶的尺寸和性能来设计孔径尺寸、柔软度、几何形状，掌握设计规律。同时研究这些性能对动力学的影响，掌握影响规律。开发可界面自组装的界面生物催化剂（酶修饰后在界面组装）高效实现两相间催化反应，研究修饰和纳米固定化酶在界面的稳定性机理。之间的关系，包括介质的粒径、孔的分布、表面形态等。通过实验和理论计算的双重手段对纳米载体粒径、颗粒碰撞频率和反应速率之间的关系作定量研究；通过多酶催化动力学的研究对微反应器进行优化，主要比较和纳米颗粒悬浮液反应形式相比，胶囊包埋所引入的分子扩散阻力对反应速率的影响，并以此为依据探索将这种影响降到最低限度的可能。这包括对微反

应器的尺寸、孔隙率和颗粒包埋量都不相同的胶囊来进行分子扩散阻力和反应动力学研究。针对羧乙基海因酶、γ-谷氨酰转肽酶等酶生物催化转化体系，研究动态酶膜反应器的流体力学特性，进行酶促反应和膜分离过程的集成优化。探索微型反应器的高度集成和底物、产物的快速传递规律。研究微通道下酶催化特性、传质特性和液流层的流态，探讨表面/体积等关键参数比对传递效率的影响。

（9）考察化学法、酶法等不同方法对纤维素资源水解的作用机理及效果影响，发掘纤维素水解的最佳方式，以纤维水解液为原料生物合成丁二酸等有机产品。研究纤维素水解液中主要成分对产物合成机制的影响，优化反应条件，实现纤维素资源的有效利用。通过研究絮凝剂、多孔微生物载体类型和结构、颗粒污泥大小对复合微生物群落功能的影响机制，获取适宜的复合微生物颗粒结构和最佳控制条件，以维持污泥颗粒内不同微生物的稳定、协同生长和催化，实现产氢气、甲烷活性强的高品位颗粒污泥。开发快速、准确检测颗粒污泥生物质水解、产氢和产甲烷活性的新技术。利用Biolog 和实时定量PCR 方法，通过研究不同颗粒污泥活性条件下其碳代谢特征及组成菌的功能基因变化，并与HPLC 及气相色谱GC 对代谢产物的分析结果对比，建立表征污泥颗粒水解生物质、产氢和产甲烷活性的新方法。以低品位生物质碳资源为对象，构建新型生物氢气和甲烷规模化生产的示范工程，实现低品位生物质碳资源的高效利用，进行能源替代，降低污染，净化环境。设计和合成新型引发剂/催化剂体系，显著提高PBS 系列生物可降解材料聚合的反应速率，研究新型引发剂在PBS 系列材料的溶液聚合、本体聚合反应规律。设计和合成不同单体共聚的改性生物可降解材料，显著提高材料加工性能和使用性能。以芳香羟胺、稠环手性芳香化合物、谷氨酰化合物、芳香族氨基酸以及重要的手性醇、手性酸等的生物法制造为目标，构建多酶反应体系，建立过程动力学模型，优化过程操作。

二、预期目标

1．总体目标

实现新一代生物催化和生物转化关键科学问题的重大突破，解析生化反应体系中生物质碳资源高效利用的机制，揭示生物催化和生物转化中生物催化剂的构效关系及其催化规律本质，并阐明工业环境下高效生物催化的实现原理，在此基础上构建若干重要生物基材料、生物能源和精细化学品的生物催化和转化生产路线，以降低这些产品生物加工过程中的能耗、物耗水平，推动新一代生物催化和生物转化技术的重大突破，为降低石油资源消耗、减少三废排放，实现经济增长模式的重组，提供支撑技术创新的源泉，为我国的新型工业化道路作出积极的贡献。

2．五年预期目标

实现新一代生物催化和生物转化中关键科学问题的重大突破，揭示重要生化反应体系中生物质碳高效利用的机制以及重要生物催化剂的催化机制、构效关系，系统地研究工业环境下高效生物催化的实现原理，实质性地提高新一代生物催化和生物转化的创新能力，重组重要生物基材料、生物能源和若干精细化学品的生物催化和生物转化生产路线，促进重大先进生物催化和生物转化技术的形成，实现节能减排的目标。

（1）完整表征不少于10个相关新功能、关键酶基因或表达调控因子、2-3个新功能基因簇；建立2-4个重要工业平台微生物的集成型、动态全细胞网络模型，包括代谢网络、功能基因簇、转录调控、信号转导、亚细胞位置信息等，探明代谢网络中的关键酶基因及调控因子；综合文献已有信息和本课题所产生的数据，建立健全2-4个网络平台模型，整合各种组学数据，阐明基质高速转化以及有机酸、羟基酸、手性醇等高效产生的机理。

（2）针对5-6个典型功能酶或代谢网络中关键酶，特别是一些尚未深入研究的复杂氧化还原酶系，分析这些酶在相关生物系统中的分布特征，寻找可能的酶功能进化规律；鉴定3-5个重要酶分子的三维空间结构，阐释这些酶的关键结构区域与其优良工业应用属性的内在关联，并总结这些酶分子所应具有的优良构效机制；建立酶理性设计的方法，基于蛋白质工程与现化分子生物学技术对生物催化剂进行理性进化，完成4-5种不同进化策略的比较，获得1-2种进化途径的一般性规律，以实现6个以上优良生物催化剂的筛选。

（3）对2-4个平台微生物的代谢网络进行优化改造，提高目标产物的产率和碳源的利用效率，减少副产物的生成及消除影响产物提取的干扰因素；利用定向

进化筛选与代谢工程技术、对2-3个催化剂进行改造，实现廉价碳源利用范围的拓展与从高能耗培养方式向低能耗培养方式的转变，实现目的产品的生产效率接近或超过国外最好水平。揭示不同发酵条件与重要调控参数的变化对丁二酸、富马酸、苹果酸合成的影响，控制反应条件，实现生物质碳资源的高效利用。建立提高发酵制氢收率和速度的代谢工程技术及系统生物技术方法，提出解决目前生物制氢普遍存在的氢气得率低的瓶颈问题的思路，使发酵制氢的得率达到3mol 氢气/mol葡萄糖以上，并实现重组菌在厌氧混合培养系统的稳定生物强化过程。

（4）研究不同菌株参与CO 2固定的关键酶的作用机制，探讨其共性机制，为酶的分子改造提供依据，并从宏观角度进行调控，建成应用固定CO 2的绿色技术实现多种有机酸制造的柔性制造平台。解析生物燃气制备过程中微生物间的协同效应、微生物与环境间的适应性，通过调整反应环境和优化微生物菌群，提高低品位生物质碳资源的转化效率，实现秸秆生产生物燃气的能量收率达到55％以上。

（5）对2-4个生物催化剂的进化规律进行归纳分析，建立分子动力学模型，定量描述酶活性中心氨基酸结构与酶催化活性的关系，并以分子模拟数据为基础，对2-4个特定体系中的关键的酶进行分子建模，从而指导生物催化剂功能的发现和进化筛选。利用生物信息学，基于海量生物学数据与实验学验证，获得1-2种分子改造的定量方法，通过定向进化技术改善2-3种腈转化酶、脂肪酶的催化特性（耐高温、耐高底物浓度、耐极端pH 等）。

（6）选取2-3个具有重要应用的酶（例：醇脱氢酶、醛酮还原酶、磷酸甘油脱氢酶、P450酶（9-α-羟基化酶）、脂肪酶、硫醚单加氧酶、腈水解酶/腈水合酶和酰胺水解酶等），通过筛选和优化晶体生长条件、酶晶制备、晶体衍射等方法，获得酶晶体，模拟和鉴定酶三维空间结构；完成醇脱氢酶、羧乙基海因酶、耐热内切菊糖酶和γ-谷氨酰转肽酶等的结构解析，确定酶与底物、辅酶的结合域（或位点）和催化中心，揭示酶对底物、辅酶的特异性结合规律及其产生空间选择性的机制，实现对多种酶的可能活性和底物的预测。

（7）建立极端微生物高效筛选与进化技术平台，发掘几种用于有机相催化的极端脂肪酶。建立有机溶剂等极端环境下生产除虫菊酯、甾体化合物等化合物的成熟工艺。从分子水平上揭示生物催化剂――酶分子在不同溶剂环境中构象转换机制，揭示生物催化剂对有机溶剂、高温等极端环境耐受性的分子机理；通过分子改造、条件优化等措施，提高酶蛋白等在极端环境中的稳定性和催化性能。

（8）提出纳/微米酶制剂的新化学制备方法，从分子水平上揭示纳微米酶制剂自组装过程的原理和主要影响因素，研究纳微米酶制剂的新型反应方式。建立多酶体系膜固定化的新方法和新理论，对多相酶膜反应器和动态酶膜反应器反应特性和传递特性获得系统深入的认识，建立微型酶膜反应器传质理论。建立典型

“人工细胞”系统高效生物催化剂，进行纳米生物催化的研究，掌握如何针对不同酶之间的协同作用规律来设计人工细胞。

（9）实现几种重要手性醇、手性酸和丁二酮或乙偶姻等重要精细化学品的工业化生产。构建基于新型膜生物反应器的反应分离耦合技术平台，实现2-3个典型产品的高效生物制造。开展醇脱氢酶催化合成系列手性羟基酸、手性醇及二羟基丙酮的规模化生产。通过腈转化酶的人工适应性改造和生物催化工程技术集成，实现2-氯烟酸、亚氨基二乙酸等精细化学品的大规模生产。建立优良的纤维素水解方法，实现纤维素资源的有效利用。设计、合成一类高活性有机小分子引发剂/催化剂。建立PBS 系列生物可降解新材料示范工程，并加以推广。发现新的改性高分子材料，建立材料的生物降解性能测定标准。建设涵盖物料预处理、高效发酵、气体净化、利用技术及装备的300 m3生物燃气示范工程1处，主要技术指标达到国际先进水平。

（10）在SCI 期刊上发表论文160-180篇，其中在本领域顶级期刊上发表论文10-20篇，申请专利50-70项，其中国际专利3-5项，培养博士后4-5名，培养50-70名博士研究生，100-120名硕士研究生。预期完成省部级技术鉴定1项。形成一支在国际生物催化和生物转化领域得到同行认可、在国际生物催化和生物转化领域产生重要影响的研究团队。

三、研究方案

1．学术思路

生物催化和生物转化是工业生物技术的核心，通过开展生物催化和生物转化的基础研究，将有助于推动工业生物技术领域的技术创新，逐步实现许多化学过程的生物过程替代。2008年即将结题的973项目“生物催化和生物转化中关键问题的基础研究 (2003CB716000)”以实现几个典型化学工业过程的生物法替代为目标，着重解决了生物催化剂发现、生物催化剂改造与催化剂使用中的催化剂多样性、高效性和适应性等三个共性基础问题，取得了许多理论成果和技术创新。本项目是在原“973”项目的基础上，针对新形势下的新问题，对原“973”项目研究的延续、发展和提升。本项目将以生物质可再生资源的替代为核心，通过发展新一代生物催化和生物转化技术，实现生物基材料、精细化学品和生物能源的高效生产，并实现其生产过程的节能、减排和降耗。本项目的具体学术思想是：围绕如何实现生物质碳资源利用的高效化问题，进行生物催化和生物转化路线的发现，进而针对相应路线开展生物催化剂的发现、改造、修饰及反应系统的基础研究，构建新型技术平台，实现几类重大产品的生物制造。

本项目具体学术思路如图1所示：

图1本项目的学术思路

2．技术途径

图2 本项目所涉及的技术途径 本项目所涉及的技术途径如图2所示。以生物催化和生物转化从微观到宏观，从生物催化机制探索到大规模应用为主线，完成新一代生物催化和生物转化中所涉及的关键科学问题的认识与研究。

通过生物过程工程学，针对生物质碳资源高效利用进行研究；利用生物信息学和化学生物学手段，全面解析面向工业应用的生物催化剂的结构-功能的关系；利用定向进化技术，进行生物催化剂的催化特异性、底物耐受性或对映选择性以及环境适应性改造研究；通过理性设计与改造，全面提高生物催化剂的耐酸/碱/热的工业应用属性；通过纳米生物技术，研究生物催化剂高效固定化方法和采用新型膜生物反应器实现高效生物催化和生物转化新过程。从而阐明新一代生物催化和生物转化中生物质碳资源高效利用的实现途径，生物催化剂构效关系的分子基础，生物催化剂的进化机制与规律，高效生物催化和生物转化实现新方法等关键科学问题。

课题研究过程中，注重生物物理学、生物信息学、计算生物学、分子生物学、生物分离工程和生物过程学学科知识的交叉应用。

3. 创新点

（1）以生物质碳高效利用为目标进行生化反应体系优化的新思路

对生化反应体系的生物质碳资源利用效率进行优化，建立相应的评价体系，将有助于指导合理的生化反应体系设计。基于原“973”项目所建立的微生物和酶资源库，筛选几种典型生化反应体系作为研究对象，挖掘体系中关键反应或酶（系），揭示其生物质碳资源利用效率和调控机制方面的共性规律，优化反应体系中的生物质碳资源利用效率，进而指导生物质碳资源高效利用生化反应体系的解析和调控。

（2）以低品位生物质碳资源为原料的高效能源生产新途径

通过构建高效利用低品位生物质碳资源的生物催化系统，建立新型大规模生物燃气示范工程，实现以低品位生物质碳资源为原料进行高效能源生产，解决日益严重的环境污染的同时，实现对低品位生物质碳资源的高效利用，生产清洁生物能源。

（3）利用比较基因组学和全局调控优化生物催化剂的新手段

微生物的种属差异往往会导致同属微生物的性状差异。以不同种属微生物的基因组信息为研究对象，通过比较基因组学来鉴定和发现不同种属生化代谢过程中的关键酶及途径已成为一个标准工具。本项目以原“973”项目中发现的大量的微生物及酶资源为基础，利用比较基因组学和全局调控方法进行分析和筛选，将有可能开发一些具有新功能和适应新过程的新型高效工业生物催化剂。

（4）基于新型高效生物催化剂和生物反应器的反应分离耦合新技术

利用新型高效生物催化剂，结合材料科学和纳米技术最新进展，设计新型生物反应器。以此为基础，构建高效生物反应体系，实现几种典型精细化工产品的高效生产。基于所建立的理论和技术基础，指导新型工业过程的开发。

4．取得重大突破的可行性分析

通过我们2003年立项的“973”项目“生物催化和生物转化中关键问题的基础研究”的实施已经集结了国内最强势的研究队伍。项目中利用生物学、化学和工程学领域最新的理论和方法，进行集成与交叉，由此创新了一系列新方法，产生了一些新知识，取得了一些新发现。项目组学术骨干结合国际上对生物催化和生物转化的最新进展，进行了新“973”项目的规划与设置。因此本项目具有扎实的工作基础和理论基础，有较强的目的性和可行性。

（1）原“973”项目在生物催化和生物转化理论研究和应用研究上做出了许多卓有成效的工作，为新项目的实施提供了坚实的理论、技术和材料支撑。

（2）本项目的研究团队一贯积极开展广泛的国际交流与合作，这将可保证国际上生物催化和生物转化领域的最新理论和技术成果能很快的用于本项目的

实施。

（3）本项目研究队伍是由原“973”项目的首席科学家续担任首席专家，组织新老课题负责人、学术骨干以及新的优秀中青年科学家组成，是一支结构合理、创新务实、实力雄厚的团队。

（4）参与本项目的研究单位强强联合、优势互补、具有项目实施的一切技术平台与条件。

5. 课题设置

以利用生物质资源替代化石资源为目标，以对国民经济具有重要影响的生物基材料、化学品和能源为研究对象，以生物催化和生物转化过程中节能→减排→降耗为主线，从解决新一代生物催化和生物转化的关键科学问题的角度设置6个研究课题：

课题1．生物质碳资源高效利用的途径解析

主要研究内容：以Actinobacillus succinogenes、Rhizopus oryzae等菌株生产丁二酸、富马酸、苹果酸为研究对象，进行生化反应途径调控策略、重要有机酸的合成机制研究、提高CO 2固定效率的宏观策略、低品位生物质碳资源高效利用策略和PBS 系列生物可降解新材料的制备的研究。

研究目标：揭示不同发酵条件与重要调控参数的变化对丁二酸、富马酸、苹果酸合成的影响，建立优良的纤维素水解方法，实现纤维素资源的有效利用，建成应用固定CO 2的绿色技术实现多种有机酸制造的柔性制造平台，设计、合成一类高活性有机小分子引发剂/催化剂，建立PBS 系列生物可降解新材料示范工程，并加以推广。在SCI 期刊上发表论文20-30篇，申请专利8-10项，培养8-10名博士研究生，10-15名硕士研究生。

主要承担单位：南京工业大学

课题负责人：欧阳平凯

经费比例：20 %

课题2．低品位生物质碳资源的高效系统生物催化

主要研究内容：以低品味生物质碳资源生产生物燃气过程为对象，进行生物燃气制备过程中微生物菌群的特征分析、生物燃气制备过程微生物群体效应、颗粒污泥制备技术和建立新型大规模生物氢气和甲烷生产的示范工程的研究。

研究目标：获取关键产氢菌4-5株，关键产甲烷菌4-5株，实现秸秆生产生物燃气的能量收率达到55％以上。使发酵制氢的得率达到3mol 氢气/mol葡萄糖以上，开发高效产氢和产甲烷的颗粒污泥制备技术及催化活性的检测技术，建立300 m 3生物燃气示范工程1处，主要技术指标达到国际先进水平。发表SCI 论文25-30篇，申请专利7-12项，博士研究生8-10名，硕士研究生10-15名。其中，预期完成省部级技术鉴定1项。

主要承担单位：清华大学，南京工业大学

课题负责人：刘铮

经费比例：16 %

课题3．生物催化剂的发现及进化机制解析

主要研究内容：以生物基产品与精细化工品生产过程中所涉及的关键酶（例，磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶、氢酶、脂肪酶、腈转化酶等）以及工业平台全细胞催化剂（例：氧化葡萄糖杆菌、谷氨酸棒杆菌、分枝杆菌等）为研究对像，进行新功能基因的发现及调控网络的解析、重要生物催化转化途径的优化与改造、利用理性进化筛选生物催化剂和利用生物信息学进行生物催化剂的发现和进化的研究。

研究目标：完整表征不少于10个相关新功能、关键酶基因或表达调控因子、2-3个新功能基因簇。对2-4个平台微生物的代谢网络和2-3个催化剂进行优化改造。完成4-5种不同进化策略的比较，获得1-2种进化途径的一般性规律，以实现6个以上优良生物催化剂的筛选。对2-4个生物催化剂的进化规律进行归纳分析，建立分子动力学模型。发表SCI 论文30-40篇，申请专利10-20篇，培养博士研究生15-20名，硕士研究生15-20名。

主要承担单位：青岛生物能源与过程研究所，中国科学院微生物研究所 课题负责人：魏东芝

经费比例：16 %

课题4．若干重要生物催化剂的结构与功能关系

主要研究内容：面向典型的且在我国已有一定研究基础的生物催化剂（醇脱氢酶、醛酮还原酶、磷酸甘油脱氢酶、9-α-羟化酶、脂肪酶、硫醚单加氧酶、腈水解酶/腈水合酶和酰胺水解酶等）开展酶蛋白的空间构象解析、酶对底物的识别与构效关系、酶构效关系的设计与改造的研究。

研究目标：选取2-3个具有重要应用的酶，获得酶晶体，模拟和鉴定酶三维空间结构。捕获与表征催化中间体，完成酶与底物结合状态、过渡态、势能垒等催化进程中的分子动力学参数的量化计算。通过进化酶的序列分析和结构功能差异分析，形成较为完整的酶的“结构-构象-功能”关系谱。开展醇脱氢酶催化合成系列手性羟基酸、手性醇及二羟基丙酮的规模化生产。实现2-氯烟酸、亚氨基二乙酸等精细化学品的大规模生产。建立快速、高准确率的计算机辅助酶的底物筛选方法。申请专利8-10项，发表论文章30-40篇，培养8-10名博士研究生，20名硕士研究生。

主要承担单位：中国科学院化学研究所，清华大学

课题负责人：王梅祥

经费比例：16%

课题5．生物催化剂的环境适应机制研究

主要研究内容：以几种重要的极端酶（高盐脂肪酶和高温纤维素酶等）为对象，开展极端环境下微生物高效催化转化、极端环境下酶的催化机理和生物催化剂的极端环境适应机制的研究。开发多功能多形态的纳米介质用于生物分子机器“人工细胞”，研究酶催化活性与介质性质之间的关系。通过多酶催化动力学的研究对分子机器进行优化，研究胶囊包埋所引入的分子扩散阻力对反应速率的影响。

研究目标：从分子水平上揭示生物催化剂对有机溶剂、高温等极端环境耐受性的分子机理。建立极端微生物高效筛选与进化技术平台，发掘几种用于有机相催化的极端脂肪酶。建立有机溶剂等极端环境下生产除虫菊酯、甾体化合物等化合物的成熟工艺。建立典型“人工细胞”系统高效生物催化剂，进行纳米生物催化的研究，掌握如何针对不同酶之间的协同作用规律来设计人工细胞。在SCI 期刊上发表论文20-30篇，申请专利8-10项，培养8-10名博士研究生，10-15名硕士研究生。

主要承担单位：中国科学院过程工程研究所，天津大学

课题负责人：马光辉

经费比例：16 %

课题6．典型高效生物催化剂及其反应体系的开发

主要研究内容：以几种典型的生物催化剂为对象，开展重要氧化还原反应体系的能量耦合机制解析、生物催化剂纳米修饰与性能解析、重要精细化学品生产的反应体系和新型酶膜反应器的开发和研究。

研究目标：揭示醇脱氢酶、羧乙基海因酶、耐热内切菊糖酶和γ-谷氨酰转肽酶等酶对底物、辅酶的特异性结合规律及其产生空间选择性的机制，实现对多种酶的可能活性和底物的预测。实现几种重要手性醇、手性酸和丁二酮或乙偶姻等重要精细化学品的工业化生产。建立纳/微米酶制剂的新化学制备方法，从分子水平上揭示纳微米酶制剂自组装过程的原理和主要影响因素。构建基于新型膜生物反应器的反应分离耦合技术平台，实现2-3个典型产品的高效生物制造。在SCI 期刊上发表论文30-40篇，申请专利8-10项，培养8-10名博士研究生，20名硕士研究生。

主要承担单位：大连理工大学，南京工业大学

课题负责人：彭孝军

经费比例：16%

6. 各课题间的关系

各课题相互之间的关系及课题与所需解决科学问题之间的关系如图4所示。 各课题通过解决的科学问题实现有机关联，通过各自的研究目标形成了新一代生

物催化和生物转化的理论基础与技术体系，课题1和2为实现生化反应体系中的生物质碳资源高效利用的任务提供了技术支撑，课题3和4为分别为课题1、2、5和6提供基本原理，课题5和6促进了高效生物催化技术体系的形成。

图4 各课题相互关系及各课题对解决科学问题的贡献

7. 五年预期目标与总体目标间关系

通过本项目的研究，将建立以生物质碳资源，特别是低品位生物质资源高效利用为目标的生物催化剂筛选、改造和过程工程相关技术平台及相关研究方法和手段，建立几个相关示范工程，并推动部分产品的工业化进程。本项目所开发的生物催化剂、技术平台、方法和手段以及一些示范工程、工业化实施过程，将为进一步拓展生物催化在我国工业领域的应用奠定初步的理论、技术和工程化实施的基础，并为我国构建节能、减排、降耗的新型工业化作出一定的贡献。

四、年度计划

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