2-羟基-4-甲硫基丁酸（俗称羟基蛋氨酸,HMTBA）其钙盐形式是复方α酮酸片的组成成分,用于治疗肾功能衰退疾病。同时在体内可转化为L-蛋氨酸,因此广泛应用于畜禽的饲料添加剂中。本论文发展以L-蛋氨酸为起始底物,通过级联反应催化L-蛋氨酸生产羟基蛋氨酸的工艺路线。设计和构建级联催化L-蛋氨酸生产（R/S）-羟基蛋氨酸的反应,之后研究酮蛋氨酸的生产、（R）-羟基蛋氨酸的生产、（S）-羟基蛋氨酸的生产,并以此建立高效转化L-蛋氨酸的体系,实现了酮蛋氨酸、（R）-羟基蛋氨酸和（S）-羟基蛋氨酸的规模化制备。主要结果如下:1.级联反应生产（R/S）-羟基蛋氨酸的设计与构建。将整个级联反应分为基础模块（BM）和扩展模块（EM）。转化L-蛋氨酸生产酮蛋氨酸为BM模块,对比不同来源的L-氨基酸脱氨酶对L-蛋氨酸的酶活,选择来源于Proteus vulgaris的L-氨基酸脱氨酶构建BM模块。EM1负责转化酮蛋氨酸生产（R）-羟基蛋氨酸,对比不同来源的脱氢酶对酮蛋氨酸酶活,选择来源于Pediococcus acidilactici的D-乳酸脱氢酶和来源于Candida boidinii的甲酸脱氢酶构建EM1模块;EM2负责转化酮蛋氨酸生产（S）-羟基蛋氨酸,选择来源于Bacillus coagulans的L-乳酸脱氢酶和来源于Candida boidinii的甲酸脱氢酶构建EM2模块。2.酮蛋氨酸的生产。对BM模块的转化条件进行优化,得到最佳转化条件为:100g·L^-1L-蛋氨酸,20 g·L^-1湿菌体,转化温度25℃,pH7.5,转化24 h,酮蛋氨酸产量达到98.5 g·L^-1,并进一步在罐上进行L-蛋氨酸向酮蛋氨酸转化放大实验。1 L的转化体系,100 g·L^-1L-蛋氨酸,转化14 h,酮蛋氨酸产量为98.7 g·L^-1,转化率为99%,并通过液相和质谱分析,确定生成的中间产物为酮蛋氨酸。3.（R）-羟基蛋氨酸的生产。对EM1模块的转化条件进行优化,得到最佳的转化条件为:转化温度30℃,pH7.0,0.4 mMNAD⁺。在罐上进行酮蛋氨酸向（R）-羟基蛋氨酸转化放大实验,1 L的转化体系,90 g·L^-1酮蛋氨酸,20 g·L^-1R-立体选择性湿菌体,转化8 h,（R）-HMTBA产量为89.6 g·L^-1,转化率为98.2%。BM模块最适温度为25℃,EM1模块最适温度为30℃,因此在1 L转化体系下采用两阶段策略进行级联催化L-蛋氨酸生产（R）-羟基蛋氨酸:第一阶段投入100 g·L^-1L-蛋氨酸底物,转化温度25℃,转化时间14 h,酮蛋氨酸转化率达到99.6%;第二阶段转化温度30℃,转化时间9 h,（R）-羟基蛋氨酸产量为97.6 g·L^-1,L-蛋氨酸向（R）-羟基蛋氨酸转化率为96.9%。通过液相和质谱分析,确定生成的终产物为羟基蛋氨酸,进一步通过手性柱分析羟基蛋氨酸的手性,通过EM1模块生成光学纯度（R）-羟基蛋氨酸（ee>99%）。4.（S）-羟基蛋氨酸的生产。对EM2模块的转化条件进行优化,得到最佳的转化条件为:转化温度30℃,pH7.0,0.4 mMNAD⁺。在罐上进行酮蛋氨酸向（S）-羟基蛋氨酸转化放大实验,1 L的转化体系,90 g·L^-1酮蛋氨酸,20 g·L^-1S-立体选择性湿菌体,转化8 h,（S）-HMTBA产量为88.2 g·L^-1,转化率为96.7%。BM模块最适温度为25℃,EM2模块最适温度为30℃,因此在1 L转化体系下采用两阶段策略进行级联催化L-蛋氨酸生产（S）-羟基蛋氨酸:第一阶段,100 g·L^-1L-蛋氨酸,温度25℃,转化14 h,中间产物酮蛋氨酸转化率为99.6%,此时反应到达终点,升高温度到30℃,进行第二阶段的反应,进一步转化9 h,（S）-羟基蛋氨酸产量为96.4 g·L^-1,L-蛋氨酸向（S）-羟基蛋氨酸转化率为95.8%。通过液相和质谱分析,确定生成的终产物为羟基蛋氨酸,进一步通过手性柱分析羟基蛋氨酸的手性,通过EM2模块生成光学纯度（S）-羟基蛋氨酸（ee>99%）。