本書介紹了人工金屬酶的發展歷程及其常用的分子設計方法，系統總結了近十年人工金屬酶設計領域取得的研究進展，分別介紹了含3d過渡金屬元素（鐵、鈷、鎳、銅、鋅、錳）以及含4d/5d過渡金屬元素（鉬、釕、銠、鋨和銥）等人工金屬酶的分子設計及其在生物催化等領域中的應用。本書基于國內外人工金屬酶研究典型案例，探討了不同人工金屬酶的分子設計方法、結構與催化功能關系以及分子設計的新趨勢和應用前景等。
本書可作為高等院校化學生物學、生物工程以及生物技術等專業高年級本科生、碩士和博士研究生以及教師的參考用書，同時也可以供相關科研院所的科研工作者參考。

林英武，南華大學教授，博士生導師。復旦大學博士，美國伊利諾伊大學香檳分校博士后，日本奈良先端科技大學JSPS訪問學者，湖南省121創新人才。先后主持國家自然科學基金青年項目和面上項目、湖南省杰出青年基金項目等，長期從事血紅素蛋白結構與功能以及人工金屬酶分子設計與應用等研究，相關科研成果發表于Nature、PNAS、JACS、Angew Chem、ACS Catalysis、中國科學（化學）等SCI論文累計200余篇。2022年入選中國化學會第四屆生物物理化學專業委員會委員，2024年入選SCI期刊J Inorg Biochem編委，2022-2024年連續入選斯坦福大學全球前2%dingjian科學家榜單。

金屬酶（metalloenzymes） 是一類重要的生物酶，在生物體系中發揮著不可替代的作用。它們也是生物無機化學和化學生物學等交叉領域中的重要研究對象。然而，天然金屬酶本身存在一些缺陷，限制了其應用。因此，研究人員對設計和構建人工金屬酶（artificial metalloenzymes，ArMs） 非常感興趣。通過研究人工金屬酶，我們可以揭示天然金屬酶的結構與功能關系，并且可以創造出優于天然酶的生物酶。
人工金屬酶分子設計的發展經歷了半個多世紀，目前已經建立了多種分子設計方法，包括理性設計、定向進化和半理性設計等。這些方法在有機合成、生物催化、生物醫藥以及環境治理等研究領域有著廣泛的應用。
基于國內外典型研究案例，本書分析總結了近十年人工金屬酶設計領域取得的研究進展。全書共分為9 章，第1 章介紹了人工金屬酶的發展歷程及其分子設計方法；第2 章至第7 章分別介紹了含3d 過渡金屬元素（鐵、鈷、鎳、銅、鋅、錳） 的天然酶活性中心結構特征以及人工金屬酶的研究案例與應用；第8 章介紹了含4d/5d 過渡金屬元素（鉬、釕、銠、鋨和銥） 等人工金屬酶的分子設計及其在有機合成和生物催化等領域中的應用；第9 章分析總結了人工金屬分子設計的新趨勢并展望了其應用前景。
如果本書能為從事相關領域研究的碩士、博士研究生以及科研工作者提供一些研究思路，編者將感到非常高興。同時，也期望能夠與更多同仁共同努力，推動新型人工金屬酶的分子設計與應用以及相關研究領域的快速發展。
感謝國家自然科學基金項目、湖南省杰出青年基金項目等對編者課題組相關研究的大力支持，感謝南華大學人才項目對本書出版的大力支持，也感謝浙江工業大學程峰教授和化學工業出版社編輯對本書出版給予的細心指導。
盡管編者已經從事人工金屬酶分子設計研究二十多年，但由于該領域涉及知識面廣且編者水平有限，書中可能存在不當之處，敬請廣大讀者批評指正。

林英武
2024年11月于南華大學

第1章 人工金屬酶及其分子設計簡介 001
1.1 生物酶與金屬酶簡介 003
1.2 人工金屬酶及其發展歷程 004
1.3 人工金屬酶分子設計方法 008
1.4 基于肌紅蛋白和神經紅蛋白的分子設計與應用 011
1.4.1 理性設計與研究案例 012
1.4.2 定向進化與研究案例 024
1.4.3 半理性設計與研究案例 028
1.5 小結 034
參考文獻 034

第2章 含鐵（Fe）人工金屬酶設計與應用 043
2.1 含鐵天然酶簡介 045
2.2 含血紅素及其類似物人工金屬酶 047
2.2.1 血紅素衍生物與天然蛋白組裝及其在生物催化中的應用 047
2.2.2 血紅素類似物與天然蛋白組裝及其在有機合成中的應用 052
2.2.3 血紅素與非天然蛋白組裝及其在環境催化和有機合成中的應用 055
2.3 其他含Fe- 配合物的人工金屬酶 058
2.4 含鐵離子的人工金屬酶 060
2.4.1 單鐵離子活性中心及其在生物催化中的應用 060
2.4.2 雙鐵離子活性中心及其在生物催化中的應用 061
2.5 含硫鐵簇的人工金屬酶 063
2.5.1 作為電子傳遞中心及其在生物催化中的應用 063
2.5.2 作為生物催化中心及其在生物能源中的應用 064
2.6 小結 067
參考文獻 068

第3章 含鈷（Co）人工金屬酶設計及應用 073
3.1 含鈷天然酶簡介 075
3.2 人工甲基轉移酶 077
3.3 人工Co- 氫化酶 078
3.4 含Co 的人工CO2 還原酶 082
3.5 人工Co- 氧化酶 085
3.5.1 非共價鍵方法 085
3.5.2 共價鍵方法 087
3.6 小結 088
參考文獻 089

第4章 含鎳（Ni）人工金屬酶設計及應用 093
4.1 含鎳天然酶簡介 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 人工金屬酶 099
4.3 人工Ni- 氫化酶 101
4.3.1 【NiFe】- 氫化酶啟發的分子設計 101
4.3.2 基于金屬蛋白的分子設計 103
4.4 含Ni 的人工CO2 還原酶 104
4.5 人工皮素氧化酶 106
4.6 人工甲基- 輔酶M 還原酶 107
4.7 其他鎳- 人工金屬酶分子設計與應用 109
4.8 小結 112
參考文獻 112

第5章 含銅（Cu）人工金屬酶設計及應用 115
5.1 含銅天然酶簡介 117
5.2 人工Cu- 氧化酶 119
5.2.1 基于天然蛋白的分子設計及其在生物催化中的應用 119
5.2.2 基于多肽分子組裝及其在生物催化中的應用 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 單金屬中心及其在有機合成中的應用 125
5.4.2 雙金屬中心及其在有機合成中的應用 127
5.5 人工Friedel-Crafts 反應酶 128
5.6 人工Michael 加成酶 130
5.7 小結 132
參考文獻 133

第6章 含鋅（Zn）人工金屬酶設計及應用 137
6.1 含鋅天然酶簡介 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 基于天然鋅指蛋白 144
6.2.4 基于其他天然含鋅酶 144
6.2.5 基于蛋白質/ 多肽組裝界面 145
6.3 人工核酸酶 147
6.4 含Zn 的人工Diels-Alder 加成酶 148
6.5 小結 150
參考文獻 150

第7章 含錳（Mn）人工金屬酶設計及應用 153
7.1 含錳天然酶簡介 155
7.2 人工Mn- 過氧化物酶 156
7.3 人工Mn- 氧化酶 159
7.4 人工Mn- 氫化酶 162
7.5 小結 164
參考文獻 165

第8章 含4d/5d 過渡金屬元素的人工金屬酶設計與應用 169
8.1 含金屬鉬（Mo）的人工金屬酶 171
8.2 含金屬釕（Ru）的人工金屬酶 173
8.2.1 在有機合成中的應用 174
8.2.2 在生物傳感中的應用 176
8.2.3 在生物醫學中的應用 176
8.3 含金屬銠（Rh）的人工金屬酶 180
8.3.1 非共價組裝及其在有機合成中的應用 180
8.3.2 共價結合及其在有機合成中的應用 182
8.4 含金屬鋨（Os）的人工金屬酶 183
8.5 含金屬銥（Ir）的人工金屬酶 186
8.6 小結 189
參考文獻 190

第9章 人工金屬酶分子設計總結與展望 193
9.1 人工金屬酶分子設計總結 195
9.2 人工金屬酶分子設計展望 197
參考文獻 198