人工金屬酶分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本書(shū)介紹了人工金屬酶的發(fā)展歷程及其常用的分子設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)總結(jié)了近十年人工金屬酶設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，分別介紹了含3d過(guò)渡金屬元素（鐵、鈷、鎳、銅、鋅、錳）以及含4d/5d過(guò)渡金屬元素（鉬、釕、銠、鋨和銥）等人工金屬酶的分子設(shè)計(jì)及其在生物催化等領(lǐng)域中的應(yīng)用。本書(shū)基于國(guó)內(nèi)外人工金屬酶研究典型案例，探討了不同人工金屬酶的分子設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)與催化功能關(guān)系以及分子設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)和應(yīng)用前景等。
本書(shū)可作為高等院?；瘜W(xué)生物學(xué)、生物工程以及生物技術(shù)等專業(yè)高年級(jí)本科生、碩士和博士研究生以及教師的參考用書(shū)，同時(shí)也可以供相關(guān)科研院所的科研工作者參考。

林英武，南華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。復(fù)旦大學(xué)博士，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校博士后，日本奈良先端科技大學(xué)JSPS訪問(wèn)學(xué)者，湖南省121創(chuàng)新人才。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、湖南省杰出青年基金項(xiàng)目等，長(zhǎng)期從事血紅素蛋白結(jié)構(gòu)與功能以及人工金屬酶分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用等研究，相關(guān)科研成果發(fā)表于Nature、PNAS、JACS、Angew Chem、ACS Catalysis、中國(guó)科學(xué)（化學(xué)）等SCI論文累計(jì)200余篇。2022年入選中國(guó)化學(xué)會(huì)第四屆生物物理化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，2024年入選SCI期刊J Inorg Biochem編委，2022-2024年連續(xù)入選斯坦福大學(xué)全球前2%dingjian科學(xué)家榜單。

金屬酶（metalloenzymes） 是一類重要的生物酶，在生物體系中發(fā)揮著不可替代的作用。它們也是生物無(wú)機(jī)化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)等交叉領(lǐng)域中的重要研究對(duì)象。然而，天然金屬酶本身存在一些缺陷，限制了其應(yīng)用。因此，研究人員對(duì)設(shè)計(jì)和構(gòu)建人工金屬酶（artificial metalloenzymes，ArMs） 非常感興趣。通過(guò)研究人工金屬酶，我們可以揭示天然金屬酶的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，并且可以創(chuàng)造出優(yōu)于天然酶的生物酶。
人工金屬酶分子設(shè)計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，目前已經(jīng)建立了多種分子設(shè)計(jì)方法，包括理性設(shè)計(jì)、定向進(jìn)化和半理性設(shè)計(jì)等。這些方法在有機(jī)合成、生物催化、生物醫(yī)藥以及環(huán)境治理等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
基于國(guó)內(nèi)外典型研究案例，本書(shū)分析總結(jié)了近十年人工金屬酶設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展。全書(shū)共分為9 章，第1 章介紹了人工金屬酶的發(fā)展歷程及其分子設(shè)計(jì)方法；第2 章至第7 章分別介紹了含3d 過(guò)渡金屬元素（鐵、鈷、鎳、銅、鋅、錳） 的天然酶活性中心結(jié)構(gòu)特征以及人工金屬酶的研究案例與應(yīng)用；第8 章介紹了含4d/5d 過(guò)渡金屬元素（鉬、釕、銠、鋨和銥） 等人工金屬酶的分子設(shè)計(jì)及其在有機(jī)合成和生物催化等領(lǐng)域中的應(yīng)用；第9 章分析總結(jié)了人工金屬分子設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)并展望了其應(yīng)用前景。
如果本書(shū)能為從事相關(guān)領(lǐng)域研究的碩士、博士研究生以及科研工作者提供一些研究思路，編者將感到非常高興。同時(shí)，也期望能夠與更多同仁共同努力，推動(dòng)新型人工金屬酶的分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用以及相關(guān)研究領(lǐng)域的快速發(fā)展。
感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖南省杰出青年基金項(xiàng)目等對(duì)編者課題組相關(guān)研究的大力支持，感謝南華大學(xué)人才項(xiàng)目對(duì)本書(shū)出版的大力支持，也感謝浙江工業(yè)大學(xué)程峰教授和化學(xué)工業(yè)出版社編輯對(duì)本書(shū)出版給予的細(xì)心指導(dǎo)。
盡管編者已經(jīng)從事人工金屬酶分子設(shè)計(jì)研究二十多年，但由于該領(lǐng)域涉及知識(shí)面廣且編者水平有限，書(shū)中可能存在不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

林英武
2024年11月于南華大學(xué)

第1章 人工金屬酶及其分子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 001
1.1 生物酶與金屬酶簡(jiǎn)介 003
1.2 人工金屬酶及其發(fā)展歷程 004
1.3 人工金屬酶分子設(shè)計(jì)方法 008
1.4 基于肌紅蛋白和神經(jīng)紅蛋白的分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用 011
1.4.1 理性設(shè)計(jì)與研究案例 012
1.4.2 定向進(jìn)化與研究案例 024
1.4.3 半理性設(shè)計(jì)與研究案例 028
1.5 小結(jié) 034
參考文獻(xiàn) 034

第2章 含鐵（Fe）人工金屬酶設(shè)計(jì)與應(yīng)用 043
2.1 含鐵天然酶簡(jiǎn)介 045
2.2 含血紅素及其類似物人工金屬酶 047
2.2.1 血紅素衍生物與天然蛋白組裝及其在生物催化中的應(yīng)用 047
2.2.2 血紅素類似物與天然蛋白組裝及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用 052
2.2.3 血紅素與非天然蛋白組裝及其在環(huán)境催化和有機(jī)合成中的應(yīng)用 055
2.3 其他含F(xiàn)e- 配合物的人工金屬酶 058
2.4 含鐵離子的人工金屬酶 060
2.4.1 單鐵離子活性中心及其在生物催化中的應(yīng)用 060
2.4.2 雙鐵離子活性中心及其在生物催化中的應(yīng)用 061
2.5 含硫鐵簇的人工金屬酶 063
2.5.1 作為電子傳遞中心及其在生物催化中的應(yīng)用 063
2.5.2 作為生物催化中心及其在生物能源中的應(yīng)用 064
2.6 小結(jié) 067
參考文獻(xiàn) 068

第3章 含鈷（Co）人工金屬酶設(shè)計(jì)及應(yīng)用 073
3.1 含鈷天然酶簡(jiǎn)介 075
3.2 人工甲基轉(zhuǎn)移酶 077
3.3 人工Co- 氫化酶 078
3.4 含Co 的人工CO2 還原酶 082
3.5 人工Co- 氧化酶 085
3.5.1 非共價(jià)鍵方法 085
3.5.2 共價(jià)鍵方法 087
3.6 小結(jié) 088
參考文獻(xiàn) 089

第4章 含鎳（Ni）人工金屬酶設(shè)計(jì)及應(yīng)用 093
4.1 含鎳天然酶簡(jiǎn)介 095
4.2 人工Ni- 超氧化物歧化酶 097
4.2.1 Ni-SOD 模型化合物 097
4.2.2 Ni-SOD 人工金屬酶 099
4.3 人工Ni- 氫化酶 101
4.3.1 【NiFe】- 氫化酶啟發(fā)的分子設(shè)計(jì) 101
4.3.2 基于金屬蛋白的分子設(shè)計(jì) 103
4.4 含Ni 的人工CO2 還原酶 104
4.5 人工皮素氧化酶 106
4.6 人工甲基- 輔酶M 還原酶 107
4.7 其他鎳- 人工金屬酶分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用 109
4.8 小結(jié) 112
參考文獻(xiàn) 112

第5章 含銅（Cu）人工金屬酶設(shè)計(jì)及應(yīng)用 115
5.1 含銅天然酶簡(jiǎn)介 117
5.2 人工Cu- 氧化酶 119
5.2.1 基于天然蛋白的分子設(shè)計(jì)及其在生物催化中的應(yīng)用 119
5.2.2 基于多肽分子組裝及其在生物催化中的應(yīng)用 121
5.3 人工Cu-NIR 酶 122
5.4 含Cu 的人工Diels-Alder 加成酶 125
5.4.1 單金屬中心及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用 125
5.4.2 雙金屬中心及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用 127
5.5 人工Friedel-Crafts 反應(yīng)酶 128
5.6 人工Michael 加成酶 130
5.7 小結(jié) 132
參考文獻(xiàn) 133

第6章 含鋅（Zn）人工金屬酶設(shè)計(jì)及應(yīng)用 137
6.1 含鋅天然酶簡(jiǎn)介 139
6.2 人工水解酶 140
6.2.1 基于三股α 螺旋 140
6.2.2 基于四股α 螺旋 142
6.2.3 基于天然鋅指蛋白 144
6.2.4 基于其他天然含鋅酶 144
6.2.5 基于蛋白質(zhì)/ 多肽組裝界面 145
6.3 人工核酸酶 147
6.4 含Zn 的人工Diels-Alder 加成酶 148
6.5 小結(jié) 150
參考文獻(xiàn) 150

第7章 含錳（Mn）人工金屬酶設(shè)計(jì)及應(yīng)用 153
7.1 含錳天然酶簡(jiǎn)介 155
7.2 人工Mn- 過(guò)氧化物酶 156
7.3 人工Mn- 氧化酶 159
7.4 人工Mn- 氫化酶 162
7.5 小結(jié) 164
參考文獻(xiàn) 165

第8章 含4d/5d 過(guò)渡金屬元素的人工金屬酶設(shè)計(jì)與應(yīng)用 169
8.1 含金屬鉬（Mo）的人工金屬酶 171
8.2 含金屬釕（Ru）的人工金屬酶 173
8.2.1 在有機(jī)合成中的應(yīng)用 174
8.2.2 在生物傳感中的應(yīng)用 176
8.2.3 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 176
8.3 含金屬銠（Rh）的人工金屬酶 180
8.3.1 非共價(jià)組裝及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用 180
8.3.2 共價(jià)結(jié)合及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用 182
8.4 含金屬鋨（Os）的人工金屬酶 183
8.5 含金屬銥（Ir）的人工金屬酶 186
8.6 小結(jié) 189
參考文獻(xiàn) 190

第9章 人工金屬酶分子設(shè)計(jì)總結(jié)與展望 193
9.1 人工金屬酶分子設(shè)計(jì)總結(jié) 195
9.2 人工金屬酶分子設(shè)計(jì)展望 197
參考文獻(xiàn) 198