本文是一篇综述论文（review）。该文由Rhys Cutlan、Simone De Rose、Michail N. Isupov、Jennifer A. Littlechild与Nicholas J. Harmer等人撰写，通讯作者为Jennifer A. Littlechild和Nicholas J. Harmer，作者均来自英国埃克塞特大学（University of Exeter）的Living Systems Institute与Henry Wellcome Building for Biocatalysis。该综述发表于Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics期刊，文章于2019年11月16日在线发表，收录于2020年第1868卷，文章编号140322，DOI为10.1016/j.bbapap.2019.140322。本文主要聚焦于生物催化中的酶级联反应，尤其是转氨酶和羧酸还原酶在级联反应中的应用，并对相关研究进展进行了系统梳理。

本文的核心主题是酶级联反应（enzyme cascades）在绿色化学和生物催化领域的应用，重点介绍了转氨酶（transaminases，TAs）和羧酸还原酶（carboxylic acid reductases，CARs）这两类在工业上具有重要价值的酶。文章首先从生物催化的发展背景出发，指出生物催化是在化学转化中使用酶的技术，是绿色化学的重要工具。与传统有机合成相比，酶催化反应通常具有高对映选择性和区域选择性，反应条件温和，有助于减少有毒试剂和有机溶剂的使用，降低废物生成。级联反应则将不同的酶活性按顺序组合，可以在一锅体系中完成多步反应，从而提高原子经济性和产物收率，特别适合制备高价值手性化合物。

文章对酶级联反应进行了系统分类。级联反应可分为线性级联（linear cascade）、正交级联（orthogonal cascade）、平行级联（parallel cascade）、循环级联（cyclic cascade）和三角级联（triangular cascade）五种类型。线性级联是最简单的形式，单一底物经过一个或多个中间体转化为单一产物，适合处理不稳定或有毒中间体。正交级联将主反应与辅助反应偶联，常用于去除副产物或再生辅因子，推动反应平衡朝向产物方向。平行级联则通过两个具有相互辅因子需求的反应进行偶联，实现辅因子的高效循环。循环级联可通过中间体的回收实现去消旋化等专门应用，而三角级联则适用于中间体再与初始底物结合的特定情况。此外，文中还指出，实际应用中的级联反应往往不是单纯的一种类型，而是多种级联的组合，以提高整体效率。

文章进一步讨论了级联反应的优势与不足。优势方面，级联反应可以减少中间体分离和纯化步骤，降低溶剂切换带来的废物，缩短反应时间，并通过热力学耦合驱动反应完成。级联反应还可以减少副反应，提高产物的选择性。劣势方面，大多数酶的操作窗口较窄，对pH、温度和盐浓度等条件有较严格要求，多种酶共同反应时需要进行多因素优化。此外，酶在工业应用中还可能面临底物范围有限、产物溶剂兼容性不足以及表达稳定性和溶解性等问题。尽管如此，随着分子生物学工具和生物信息学手段的发展，许多酶已经可以大量表达，稳定性也逐步提高。

文章对辅因子再生（cofactor recycling）在级联反应中的作用进行了重点分析。许多酶催化反应需要辅因子，例如NAD+、NADP+和ATP等。这些辅因子通常价格昂贵，且部分辅因子在反应中会发生化学变化，因此实现高效再生对于工业经济性至关重要。文章介绍了两种主要的酶法辅因子再生策略：底物偶联再生和酶偶联再生。底物偶联再生使用同一种酶催化产物合成与辅因子再生，例如Streptomyces griseus羰基还原酶在将前手性酮转化为手性醇时，同时利用异丙醇再生NADH。酶偶联再生则利用另一种酶来催化辅因子再生，常见的有葡萄糖脱氢酶、甲酸脱氢酶和亚磷酸脱氢酶等。对于ATP再生，近年来也发展了利用丙酮酸激酶、多磷酸激酶以及大肠杆菌细胞裂解液等策略。这些再生系统为多酶级联反应的连续运行提供了重要支持。

在级联反应的过程优化方面，文章讨论了动力学建模的方法。主要方法包括基于约束的建模（constraint-based modelling）和动力学建模（kinetic modelling）。约束建模通过通量平衡分析或实验设计来拟合系统参数，适合快速评估过程可行性，但对瓶颈的预测能力有限。动力学建模则基于每一步反应的速率方程，需要详细的实验测定，其预测能力较强，但参数众多，过程复杂。文章指出，动力学建模的案例仍较少，例如体外辅因子再生、6-羟基己酸合成的三酶级联系统模拟等。这类建模有助于在工业放大前识别瓶颈和抑制因素。

文章重点介绍了转氨酶级联反应的应用。转氨酶是工业生物催化中较为成熟的酶类，许多药物分子含有手性胺结构，因此转氨酶被广泛用于合成这些重要砌块。转氨酶依赖磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate，PLP）辅因子，在反应过程中与活性位点赖氨酸形成希夫碱。最常用的第3类转氨酶为ω-转氨酶（ω-transaminase），能够催化远离羧基的酮或醛端氨基化。已报道的重要转氨酶来自Vibrio fluvialis、Chromobacterium violaceum和Pseudomonas aeruginosa等微生物。转氨酶在级联反应中常与乳酸脱氢酶、葡萄糖脱氢酶、丙酮酸脱羧酶等酶偶联，以推动不利的反应平衡。第4类转氨酶具有天然的（R）选择性，可用于合成具有特定立体构型的胺化合物。一个重要的工业里程碑是Merck与Codexis公司利用工程化转氨酶实现了抗高血压药物西他列汀（sitagliptin）的规模化生物催化生产。转氨酶还可以与单胺氧化酶、羧酸还原酶和亚胺还原酶等酶组合，用于合成吡咯烷、哌啶及四氢异喹啉等生物活性化合物。

文章另一个重点内容是羧酸还原酶级联反应。羧酸还原酶是约130 kDa的多结构域酶，能够将芳香族和脂肪族羧酸还原为醛，该反应需要ATP水解和NADPH氧化来驱动。醛基具有很高反应活性，可进一步用于还原胺化等多种合成转化。羧酸还原酶级联反应已在体内和体外均取得进展。一个典型例子是France等人发展的三酶级联反应，由羧酸还原酶、转氨酶和亚胺还原酶组成，可以将酮酸转化为哌啶类化合物。Strohmeier等人利用多磷酸激酶和葡萄糖脱氢酶构建了双平行再生级联，实现了ATP和NADPH的原位再生，使多种羧酸以超过99%的转化率还原为醛。Finnigan等人则将酯还原为醇的过程设计为包含七个酶的三步级联，并开发了动力学模型优化反应条件，获得了约75%的收率。这些研究说明，羧酸还原酶作为平台酶，在构建复杂级联反应方面具有很高的潜力。

综合来看，本文系统总结了酶级联反应的基本概念、分类、优缺点、辅因子再生和动力学建模方法，并以转氨酶和羧酸还原酶为例，展示了级联反应在合成手性胺和醛类化合物中的成功应用。文章强调，级联反应能够提高反应效率、降低废物、推动不利平衡，是绿色化学和工业生物催化的重要发展方向。通过模块化酶组合、辅因子回收系统和建模优化，未来有望实现更广泛的高效生物制造过程。这篇综述为从事生物催化、绿色合成和代谢工程的研究人员提供了系统、深入的参考。