恒温生物可以在温和的条件下进行反应，这要归功于出色的催化剂：酶。最初，人类不知不觉地利用这些酶已有数千年的历史，例如将糖类发酵为酒精。那么我们如何从不知不觉地使用生物催化技术发展到化学合成技术的最前沿？从而导致了酶的日益复杂的应用。
1833年，第一个被发现的酶是淀粉酶。但术语酶是在40多年后的1877年由WilhelmKühne提出，即促进反应本身不发生任何变化的化学催化物质。同时在乙醇发酵中观察到的酵母也被视为催化剂，但很快发现它是一种活生物体，在当时似乎与该概念相矛盾。后来生物学家巴斯德的证据表明，发酵是在无氧条件下进行的，并且未能成功分离出酶。最后1897年，德国化学家爱德华·布希纳的实验表明，死酵母提取物可以进行与活酵母相同的发酵反应，这一伟大发现使他获得了1907年诺贝尔奖，进而使微生物的代谢作用开创了新的一页。随后人类开始进一步的研究开始揭示出酶反应的中间体，以及对磷酸盐和“辅酶”的依赖性，因这些研究英国科学家哈登因和瑞典科学家奥伊勒歇尔平获得了1929年诺贝尔化学奖。但是，酶的化学性质仍在争论中。1926年，美国化学家詹姆斯·萨姆纳结晶了第一种酶-脲酶，并确认它是一种蛋白质。随后美国科学家霍华德·诺斯罗普结晶了胃蛋白酶，胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。在后来他们被授予1946年诺贝尔化学奖；萨姆纳在他的诺贝尔奖演讲中说：“有机化学家从未能够合成蔗糖，但是通过使用酶，生物化学家不仅可以合成蔗糖，还可以合成葡聚糖胶，左旋胶，淀粉和糖原。”实际上虽然人类并没有完全了解酶的工作方式，但已经开发了一些酶制剂并开始在工业界使用。例如，第一次世界大战期间，甘油在德国以每月1000吨的规模生产用于炸药的原料。1948年，美国化学家莱纳斯·鲍林提出作为蛋白质二级结构的一种重要形式，a -螺旋体，已在晶体衍射图上得到证实，这一发现为蛋白质空间构像打下了理论基础。这些研究成果，让鲍林在1954年荣获诺贝尔化学奖。1951年，桑格确定了胰岛素的氨基酸序列，明确了蛋白质的一级结构，同时由于这项工作，他于1958年获得了诺贝尔化学奖。在对酶的结构越来越了解的同时，人们还采用了新开发的物理化学技术来阐明机理，例如详细的动力学，同位素标记，同位素效应和光谱技术。以这种方式阐明的第一个机制是使用辅酶的酶，因为辅酶的结构是在完整蛋白质的结构之前确定的。但是，这些关于酶如何工作的知识的进步对工业生物催化没有立即的影响，这在很大程度上受到大多数酶的低含量限制。当时的主要发展包括将葡萄糖异构酶用于生产高产量的酶。以及开发用于生产氨基青霉素的青霉素酰基转移酶工艺的开发。为了使酶得到更广泛的应用，必须大幅提高其产量。另外必须以某种方式调整酶活性位点。这两个问题的关键是对DNA如何编码蛋白质的理解，以及对DNA操纵方式的发展。当然，除了上述对蛋白质的研究之外，对DNA的研究也在进行中。1953年美国科学家沃森和克里克提出DNA双螺旋结构并获得1962年诺贝尔奖。在发现DNA结构的8年之后，弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺在1961年提出来DNA转录成mRNA以及将mRNA转化成蛋白质这一概念，这很快导致人们推测DNA中的遗传信息是如何编码氨基酸序列，而氨基酸序列本身决定蛋白质结构，基于雅各布和莫诺的成就他们共同获得了1965年获得诺贝尔生理学或医学奖。当然，除非能读懂DNA序列，否则了解遗传密码的含义是有限的。弗雷德里克·桑格在1977年巧妙地还原了正常的DNA复制，即通过提供少量无法进一步延伸的核苷酸，使DNA链在每个不同的碱基之后被截断成大小不同的片段，这些片段可以通过凝胶电泳按大小将其分离。对所有四个核苷酸重复该实验，可以推导出模板中的碱基序列。这使弗雷德里克·桑格于1980年获得的第二届诺贝尔化学奖。1952年，约书亚·莱德伯格创造了“质粒”一词来描述这种可传播的DNA，并发现了其传播的本质且于1958年获得诺贝尔生理学和医学奖。同样在1952年，萨尔瓦多·卢里亚和朱塞佩·贝塔尼观察到限制性内切酶的作用，然后对于其他几种细菌也观察到了这种效果。然而，直到1960年代初，阿尔伯才提出这些酶作为位点特异性核酸内切酶的性质以及宿主细菌通过修饰保护自己的DNA的性质。马修·梅瑟森于1968年分离出第一个此类限制性核酸内切酶，这些早期的限制酶识别特定的序列，但没有在特定的位置切割，现在被称为I型限制酶。II型限制酶是由Hamilton 史密斯在1970年发现的。阿尔伯，史密斯和纳特汉斯于1978年获得了诺贝尔生理学或医学奖。由于许多II型限制酶会产生回文的单链突出端，因此人们意识到，如果使用相同的限制酶进行切割，则可以通过DNA连接酶的作用将不同来源的DNA缝合在一起。Paul Berg在1972年报道了第一个这样的“重组” DNA并获得了1980年诺贝尔化学奖。分子生物学的这些发展彻底改变了酶学和生物催化。首次可以确定和克隆目的酶的DNA序列，并且可以在大肠杆菌中过表达该酶，从而获得足够的量进行研究和使用。工业应用。第一个重组蛋白是1978年生产的胰岛素，人胰岛素的商业生产是1982年开始的。在此之前，胰岛素必须从猪或牛中分离出来，而且功效通常有限且不一致，而且供应不稳定。尽管天然酶在发挥其功能方面发挥着巨大作用，但它们通常会存在一些缺点，使其不适合工业应用，例如缺乏稳定性。因此怎样寻找稳定的菌株成为当时迫切的需求，于是人们将整个生物置于诱导突变的条件下，例如辐射或化学试剂，然后筛选所得菌株的有利表型。通过这种方法，可以获得产生大量所需产物的菌株。但是，这些方法很慢，不可能直接改变任何特定酶的特性，并且只能真正应用于复制周期足够短的生物。但是，随着重组DNA的可用性以及对酶及其机制的理解，将特定突变引入目标酶中已成为可能，无论其起源于何种生物。确实，1978年迈克尔·史密斯报道了一种通用的通过设计DNA引物定点诱变方法并于1993年获得诺贝尔化学奖。随后1980年代Kary Mullis提出的聚合酶链反应的理论 ，是人们有可能从单个模板产生大量DNA序列拷贝。通过调节聚合酶的保真度，可以将随机突变引入扩增产物中。由于这项重大贡献，他也获得了1993年诺贝尔化学家。pcr被发明之后弗朗西斯·阿诺德使用这项技术创建了大型的突变体文库，随后她对其施加了进化压力产生了可以耐受高浓度DMF的枯草杆菌蛋白酶E变体，总共引入了10个突变。因此，定向进化领域诞生了。1994年，Pim Stemmer引入了DNA改组的概念，模仿了生物体中发生的DNA重组以增加遗传多样性的方法，并将其应用于体外重组DNA 。不受限于单一物种的基因的影响，可以将非常多种多样的蛋白质混合在一起，以创建与天然氨基酸相距甚远的新序列。事实证明，这项技术非常强大，特别是与PCR结合使用时，可以将多个突变体的突变组合在一起，而无需了解不同突变之间如何相互作用。因此发明Frances Arnold因酶的定向进化而获得2018年诺贝尔化学奖。至此人类对酶的研究和应用有了更深的认识。通过阐明酶促机制和酶结构，以及开发用于DNA操作的强大工具，工程化酶正被用于日益复杂的合成中。但是，挑战依然存在。酶工程学非常耗时，尽管创建了出色的酶突变体，但它并不总是成功的。即使在理解蛋白质折叠和预测突变影响方面取得了重大进展，我们仍然依赖Frances Arnold提出的定向进化原理。为了提高酶的可预测性，有必要对酶的性质进行进一步的研究，这将导致将来可以更常规地应用酶。还存在更多的基本挑战，例如蛋白质表达，通常很难预测。尽管大肠杆菌无疑已成为表达生物的首选，但由于可用的分子生物学工具众多，因此某些蛋白质无法以高水平或可溶形式表达。因此，需要其他表达系统，例如真菌和嗜热古细菌，以表达与大肠杆菌不相容的蛋白质并绕过潜在的毒性。最后，将生物催化方法推向市场仍然极具挑战性。与最佳的非均相催化剂相比，即使是经过精心设计的酶，在产率上也达不到要求。另外，开发生物催化方法需要大量的时间和金钱。对于合成生物学尤其如此。以抗疟疾药物青蒿素为例，该青蒿素需要10年的研究，并花费超过1.5亿美元来设计能够产生这种生物的酶。显然，需要更多的研究来解决这些问题，学术界与行业之间更紧密的互动可以进一步加快这一过程。尽管如此，本综述中提到的许多成功的生物催化过程的例子都突出了酶的力量和生物催化领域的光明前景。