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非天然α-功能化有机酸,尤其是α-酮酸、α-羟基酸以及α-氨基酸等,是一类非常重要的合成砌块,被广泛应用于化学合成、化妆品和制药等领域。基于酶催化的小分子氨基酸和其他合成砌块的不对称组装,可以大大简化α-功能化有机酸的制备,是合成非天然α-功能化有机酸极具潜力的方法。在本研究中,我们报道了一种人工设计的手性基团重置生物催化方法,该方法使用简单的非手性甘氨酸和醛合成α-功能化有机酸。主要研究结果如下:（1）本研究借助多酶级联催化,设计了一个手性基团重置级联反应,可通过对手性-OH/-NH2基团“引入—删除—再引入”的重置过程,来实现一系列非天然α-功能化有机酸的酶促合成。该级联反应系统由4个模块组成,包括一个基础模块（BM）和三个扩展模块（EM）:通过将BM和EM1级联来重置手性-OH合成（S）-或（R）-α-羟基酸,通过将BM和EM2或EM3级联来重置手性-NH2合成（S）-或（R）-α-氨基酸。然后通过文献挖掘和基因组采矿筛选到了性质较优的酶,并用这些酶构建了基本模块,验证了每个模块均能正常工作,但是BM中的CgTD对大体积底物活性较低是级联反应的限速步骤。（2）通过底物通道“开门”策略对苏氨酸脱氨酶CgTD进行分子改造,获得了对大体积底物活性提升的突变体。首先通过同源建模获得了切除调控域之后的ΔCgTD结构模型,再通过分子对接、口袋分析、通道分析和动力学模拟对ΔCgTD结构进行分析,结果发现CgTD底物通道存在瓶颈结构且以“门”的形式存在。然后针对“门”结构的特点,提出了“开门”策略来提高CgTD对大体积底物的活性。通过丙氨酸扫描、CASTing、迭代饱和突变和组合突变这些方法,对组成门的氨基酸残基、锚定残基和铰链区域的残基进行突变,最终获得性能得到较大提升的突变体CgTDMu7（V111A/V119N/K123S/V137I/K260S/R261T）,其对底物3a的酶活相对野生型提高了6.8倍,Km值降低了4倍,kcat由5.0提高至136.1 s-1。突变体CgTDMu7对于3e也表现出较高的催化活性。（3）利用PLP辅因子的固有光谱特性来可视化不同中间产物的丰度。基于PLP依赖酶的反应机理和紫外可见光谱,对CgTD催化的脱氨反应的过渡态中间体进行分析。在此基础上,参考已报道的PLP依赖酶的反应机理,确定了底物进出通道的关键氨基酸位点D147和R261,解析了突变体对大体积底物活力提升的机制。（4）通过将不同的模块组装,构建并筛选了不同功能的α-功能化有机酸合成菌株,并对其合成潜力进行了考察。通过将PaTA和CgTDMu7组装起来构建了4个α-酮酸合成菌株E.coli（OA01-04）,用最优酮酸合成菌株E.coli（OA02）转化1a-i合成相应的α-酮酸4a-i,转化率为68-91%。通过将BM和EM1组装,获得24株α-羟基酸合成菌株E.coli（OA05-28）,用最优菌株E.coli（OA15）和E.coli（OA23）分别将醛1a-i转化为（S）-和（R）-6a-i,选择性高达96-99%,转化率为55-92%。通过将BM和EM2组装,构建了12株（S）-α-氨基酸合成菌株E.coli（OA29-40）,用最优菌株E.coli（OA34）转化1a-i合成（S）-6a-i,转化率为65-93%,ee值为89-98%。通过将BM和EM3组装,构建了12株（R）-α-氨基酸合成菌株E.coli（OA53-64）,用最优菌株E.coli（OA59）转化1a-i合成（R）-6a-i,转化率为32-89%,ee值>98%。（5）最后通过100 mL制备级转化实验,进一步验证了本研究所构建的多酶级联催化体系的工业化生产潜力。选择了10种代表性的α-功能化有机酸进行放大合成,并通过萃取、离子交换色谱、层析色谱和重结晶等方法对产物进行了纯化,分离得率为45-78%。最后通过核磁共振图谱和高分辨质谱对纯化产物进行结构和分子量的分析鉴定,鉴定结果表明产物结构正确,进一步证明了本研究所构建的多酶级联体系的准确性和普遍适用性。