人工金属酶分子设计与应用

本书介绍了人工金属酶的发展历程及其常用的分子设计方法，系统总结了近十年人工金属酶设计领域取得的研究进展，分别介绍了含3d过渡金属元素（铁、钴、镍、铜、锌、锰）以及含4d/5d过渡金属元素（钼、钌、铑、锇和铱）等人工金属酶的分子设计及其在生物催化等领域中的应用。本书基于国内外人工金属酶研究典型案例，探讨了不同人工金属酶的分子设计方法、结构与催化功能关系以及分子设计的新趋势和应用前景等。
本书可作为高等院校化学生物学、生物工程以及生物技术等专业高年级本科生、硕士和博士研究生以及教师的参考用书，同时也可以供相关科研院所的科研工作者参考。

林英武，南华大学教授，博士生导师。复旦大学博士，美国伊利诺伊大学香槟分校博士后，日本奈良先端科技大学JSPS访问学者，湖南省121创新人才。先后主持国家自然科学基金青年项目和面上项目、湖南省杰出青年基金项目等，长期从事血红素蛋白结构与功能以及人工金属酶分子设计与应用等研究，相关科研成果发表于Nature、PNAS、JACS、Angew Chem、ACS Catalysis、中国科学（化学）等SCI论文累计200余篇。2022年入选中国化学会第四届生物物理化学专业委员会委员，2024年入选SCI期刊J Inorg Biochem编委，2022-2024年连续入选斯坦福大学全球前2%dingjian科学家榜单。

金属酶（metalloenzymes） 是一类重要的生物酶，在生物体系中发挥着不可替代的作用。它们也是生物无机化学和化学生物学等交叉领域中的重要研究对象。然而，天然金属酶本身存在一些缺陷，限制了其应用。因此，研究人员对设计和构建人工金属酶（artificial metalloenzymes，ArMs） 非常感兴趣。通过研究人工金属酶，我们可以揭示天然金属酶的结构与功能关系，并且可以创造出优于天然酶的生物酶。
人工金属酶分子设计的发展经历了半个多世纪，目前已经建立了多种分子设计方法，包括理性设计、定向进化和半理性设计等。这些方法在有机合成、生物催化、生物医药以及环境治理等研究领域有着广泛的应用。
基于国内外典型研究案例，本书分析总结了近十年人工金属酶设计领域取得的研究进展。全书共分为9 章，第1 章介绍了人工金属酶的发展历程及其分子设计方法；第2 章至第7 章分别介绍了含3d 过渡金属元素（铁、钴、镍、铜、锌、锰） 的天然酶活性中心结构特征以及人工金属酶的研究案例与应用；第8 章介绍了含4d/5d 过渡金属元素（钼、钌、铑、锇和铱） 等人工金属酶的分子设计及其在有机合成和生物催化等领域中的应用；第9 章分析总结了人工金属分子设计的新趋势并展望了其应用前景。
如果本书能为从事相关领域研究的硕士、博士研究生以及科研工作者提供一些研究思路，编者将感到非常高兴。同时，也期望能够与更多同仁共同努力，推动新型人工金属酶的分子设计与应用以及相关研究领域的快速发展。
感谢国家自然科学基金项目、湖南省杰出青年基金项目等对编者课题组相关研究的大力支持，感谢南华大学人才项目对本书出版的大力支持，也感谢浙江工业大学程峰教授和化学工业出版社编辑对本书出版给予的细心指导。
尽管编者已经从事人工金属酶分子设计研究二十多年，但由于该领域涉及知识面广且编者水平有限，书中可能存在不当之处，敬请广大读者批评指正。

林英武
2024年11月于南华大学

第1章 人工金属酶及其分子设计简介 001
1.1 生物酶与金属酶简介 003
1.2 人工金属酶及其发展历程 004
1.3 人工金属酶分子设计方法 008
1.4 基于肌红蛋白和神经红蛋白的分子设计与应用 011
1.4.1 理性设计与研究案例 012
1.4.2 定向进化与研究案例 024
1.4.3 半理性设计与研究案例 028
1.5 小结 034
参考文献 034

第2章 含铁（Fe）人工金属酶设计与应用 043
2.1 含铁天然酶简介 045
2.2 含血红素及其类似物人工金属酶 047
2.2.1 血红素衍生物与天然蛋白组装及其在生物催化中的应用 047
2.2.2 血红素类似物与天然蛋白组装及其在有机合成中的应用 052
2.2.3 血红素与非天然蛋白组装及其在环境催化和有机合成中的应用 055
2.3 其他含Fe- 配合物的人工金属酶 058
2.4 含铁离子的人工金属酶 060
2.4.1 单铁离子活性中心及其在生物催化中的应用 060
2.4.2 双铁离子活性中心及其在生物催化中的应用 061
2.5 含硫铁簇的人工金属酶 063
2.5.1 作为电子传递中心及其在生物催化中的应用 063
2.5.2 作为生物催化中心及其在生物能源中的应用 064
2.6 小结 067
参考文献 068

第3章 含钴（Co）人工金属酶设计及应用 073
3.1 含钴天然酶简介 075
3.2 人工甲基转移酶 077
3.3 人工Co- 氢化酶 078
3.4 含Co 的人工CO2 还原酶 082
3.5 人工Co- 氧化酶 085
3.5.1 非共价键方法 085
3.5.2 共价键方法 087
3.6 小结 088
参考文献 089

第4章 含镍（Ni）人工金属酶设计及应用 093
4.1 含镍天然酶简介 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 人工金属酶 099
4.3 人工Ni- 氢化酶 101
4.3.1 【NiFe】- 氢化酶启发的分子设计 101
4.3.2 基于金属蛋白的分子设计 103
4.4 含Ni 的人工CO2 还原酶 104
4.5 人工皮素氧化酶 106
4.6 人工甲基- 辅酶M 还原酶 107
4.7 其他镍- 人工金属酶分子设计与应用 109
4.8 小结 112
参考文献 112

第5章 含铜（Cu）人工金属酶设计及应用 115
5.1 含铜天然酶简介 117
5.2 人工Cu- 氧化酶 119
5.2.1 基于天然蛋白的分子设计及其在生物催化中的应用 119
5.2.2 基于多肽分子组装及其在生物催化中的应用 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 单金属中心及其在有机合成中的应用 125
5.4.2 双金属中心及其在有机合成中的应用 127
5.5 人工Friedel-Crafts 反应酶 128
5.6 人工Michael 加成酶 130
5.7 小结 132
参考文献 133

第6章 含锌（Zn）人工金属酶设计及应用 137
6.1 含锌天然酶简介 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 基于天然锌指蛋白 144
6.2.4 基于其他天然含锌酶 144
6.2.5 基于蛋白质/ 多肽组装界面 145
6.3 人工核酸酶 147
6.4 含Zn 的人工Diels-Alder 加成酶 148
6.5 小结 150
参考文献 150

第7章 含锰（Mn）人工金属酶设计及应用 153
7.1 含锰天然酶简介 155
7.2 人工Mn- 过氧化物酶 156
7.3 人工Mn- 氧化酶 159
7.4 人工Mn- 氢化酶 162
7.5 小结 164
参考文献 165

第8章 含4d/5d 过渡金属元素的人工金属酶设计与应用 169
8.1 含金属钼（Mo）的人工金属酶 171
8.2 含金属钌（Ru）的人工金属酶 173
8.2.1 在有机合成中的应用 174
8.2.2 在生物传感中的应用 176
8.2.3 在生物医学中的应用 176
8.3 含金属铑（Rh）的人工金属酶 180
8.3.1 非共价组装及其在有机合成中的应用 180
8.3.2 共价结合及其在有机合成中的应用 182
8.4 含金属锇（Os）的人工金属酶 183
8.5 含金属铱（Ir）的人工金属酶 186
8.6 小结 189
参考文献 190

第9章 人工金属酶分子设计总结与展望 193
9.1 人工金属酶分子设计总结 195
9.2 人工金属酶分子设计展望 197
参考文献 198