光学活性的手性砌块是许多药物的关键中间体,生物催化是制备高光学纯度手性药物砌块的重要方法。但是,许多生物催化过程由于酶表达量低、稳定性差、难以重复使用或反应过程参数设置不合理等技术问题,导致生产效率低、成本高,难以实现产业化应用。本论文选取三个手性药物砌块的酶促合成反应作为典型案例,针对其关键技术瓶颈问题,分别采用基因异源表达、酶固定化及过程再优化等不同策略,显著提高了所用生物催化剂的比生产率,有力促进了相关生物催化过程的产业化应用,并为其他酶促反应的合成应用提供了成功案例。1.针对野生型微生物中酶表达水平不高导致粗酶制剂比生产率低下的问题,本文以西司他汀前体(S)-2,2-二甲基环丙烷甲酸酯的酶促合成为案例,通过对实验室前期分离的野生型红球菌ECU1013的酯酶基因进行克隆和异源表达,强化了酶的表达水平,极大地提高了酶制剂的催化效率。重组酶制剂的比生产率提高了13倍,酶促反应底物上载量由62.5 mM提高到500 mM,反应时间由120 h缩短为16 h。在十克级规模制备实验中,产品分离收率30.2%(最大理论转化率为50%),光学纯度为97.4%ee。2.针对游离酶稳定性差、难以重复使用导致酶制剂应用效率低的问题,本文以心血管药物地尔硫卓中间体左旋对甲氧苯基缩水甘油酸甲酯的酶促合成为案例,通过对沙雷氏菌ECU1010胞外脂肪酶进行交联固定化,提高了酶的稳定性,强化了酶制剂的重复使用性能,显著地提高了酶制剂的生产效率。与游离酶相比,固定化酶的稳定性提高了13.4倍,比生产率提高了9.8倍。进行了十公斤级规模产品制备,单位产品所用酶催化剂的成本下降了88.7%。3.针对反应过程参数设置不合理导致催化剂利用效率低的问题,本文以降血压药物阿伐他汀中间体(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的酶促合成为案例,通过对工艺参数进行调整,对反应条件进行再优化,有效地提高了催化剂的比生产率。优化后整细胞催化剂的比生产率提高了78.7%。进行了产品的千克级规模制备,产品分离收率85.4%,光学纯度99.9%ee。相关工程问题的解决有力地促进了实验室研究成果的实用化和产业化。