1、酶工程的研究進展及前景展望摘要：概述了21 世紀國際上酶工程研究的新進展和新趨勢。本文意在闡述近年來酶工程在分子水平的研究進展,并對其未來前景進行了展望。簡單介紹了酶工程研究的進展, 對酶工程的發(fā)展前景進行了探討。介紹了酶工程的應用現(xiàn)狀，并對酶工程的作用和發(fā)展做出了展望。關鍵詞: 酶工程; 抗體酶；酶的固定化；開發(fā)研究; 進展； Abstract: An overview of the enzyme engineering in the21st century international research progress and new trends. This paper aims to

2、elaboratein recent years, progress in enzyme engineering research at the molecular level,anditsfutureprospects. Briefly introduced the progress of the study ofenzyme engineering,discussed the prospects for the development ofenzyme engineering. Introduced the application status of the enzyme works ,a

3、nd the role and development of enzyme engineering to make theoutlook.Keywords: Enzyme Engineering; Antibodyenzyme; Immobilization; Research and development; Progress1 前言跨入21 世紀,人們在20 世紀認識生命本質(zhì)高度一致性的基礎上,迎來了后基因組時代,將有可能從整個基因組及其全套蛋白質(zhì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)- 功能機理的角度,進一步闡明生命現(xiàn)象的核心和本質(zhì), 并系統(tǒng)整合生物學的全部知識,建立起真正的統(tǒng)一的普通生物學(general bio

4、logy)。而生物技術(shù)將為解決人類所面臨的食品和營養(yǎng)、健康和長壽、資源和能源、環(huán)境保護和生態(tài)平衡,以及可持續(xù)發(fā)展等重大問題,發(fā)揮無可替代的作用, 為人類作出更大的貢獻。酶工程是生物技術(shù)的一個重要組成部分, 指在一定的生物反應器內(nèi), 利用酶的催化作用, 進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的技術(shù)。其應用范圍已遍及工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化學分析、環(huán)境保護、能源開發(fā)和生命科學理論研究等各個方面。與此同時,酶工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速。1998年全世界工業(yè)酶制劑銷售額高達16億美元。預計到2008年,銷售額將達到30億美元。近年來,美國、歐洲共同體國家和日本,在酶工程研究和酶工程產(chǎn)業(yè)方面發(fā)展非常迅速,繼續(xù)居于領先地位。本文擬就21世

5、紀國際酶工程研究領域的若干“熱點”和前沿課題, 對21世紀酶工程研究的發(fā)展動向作一概述1。2 酶的分離和提純酶的分離和提純是酶生產(chǎn)的一個關鍵問題，也是酶工程的一項中心環(huán)節(jié)，它不僅影響酶的產(chǎn)率、酶的活性，而且還直接影響到其它技術(shù)的發(fā)揮，如固定化技術(shù)、酶的使用穩(wěn)定性和穩(wěn)定化、酶的保存等。從微生物、動植物細胞中得到含有多種酶的提取液后，為了從提取液中獲得所需要的某一種酶，必須將提取液中的其它物質(zhì)分離，這就是酶的分離純化。經(jīng)過分離純化后得到的酶，活性不能降低，因此，分離純化必須在適宜的條件下進行。可選擇各種沉淀法、離心法、膜分離法、柱層析法、雙水相系統(tǒng)萃取法等分離純化酶2。3 酶工程研究進展酶的生產(chǎn)和

6、應用的技術(shù)過程稱為酶工程。其主要任務是通過預先設計, 經(jīng)人工操作而獲得大量所需的酶, 并利用各種方法使酶發(fā)揮其最大的催化功能3。本文將二十多年來圍繞酶工程的主要任務進行了一系列的闡述,現(xiàn)將主要研究成果介紹如下：3.1 酶的生物合成及其調(diào)節(jié)控制研究所有生物體在一定的條件下都能合成多種多樣的酶。酶的生物合成受細胞內(nèi)外許多因素的影響。研究酶的生物合成及其調(diào)節(jié)控制,對指導酶的生產(chǎn)以及闡明某些抗生素和藥物的作用機制有重要意義。1980年郭勇等人4 研究了二環(huán)素對大腸桿菌中堿性磷酸酶生物合成、B_半乳糖苷酶誘導合成和其他蛋白質(zhì)生物合成的影響。發(fā)現(xiàn)BCM 能明顯阻遏堿性磷酸酶的合成和B_半乳糖苷酶的誘導合成

7、,同時卻誘導產(chǎn)生一種47K蛋白。這一結(jié)果闡明了二環(huán)素殺菌作用的主要原因。1982年,研究了枯草桿菌堿性磷酸酶的生物合成及其調(diào)節(jié)5。發(fā)現(xiàn)枯草桿菌AS1.398 細胞在無機磷酸含量受到限制的培養(yǎng)基中生長時,若培養(yǎng)基中的無機磷酸含量降到0.01 mmol/ L以下,枯草桿菌細胞內(nèi)將迅速合成堿性磷酸酶;在堿性磷酸酶生物合成的高峰期, 添加1.0 mmol/ L的磷酸鹽,該酶的合成完全被阻遏;枯草桿菌堿性磷酸酶的生物合成不受其作用底物的誘導,也不受分解代謝物的阻遏?？梢?控制培養(yǎng)基中磷的含量是加速枯草桿菌堿性磷酸酶的合成和提高酶產(chǎn)率的主要措施。此外,我們還對菊糖酶、納豆激酶、超氧化物歧化酶等的生物合成及

8、其調(diào)控進行了研究67。3.2 酶、細胞和原生質(zhì)體固定化研究1985 年開始, 郭勇等人承擔了國家自然科學基金(高技術(shù))項目、國家科委重點項目、國家“七五”攻關項目和廣東省重點項目等多個科研項目,從固定化載體、固定化方法、固定化條件、固定化酶生產(chǎn)藥物、固定化細胞生產(chǎn)胞外酶和固定化原生質(zhì)體生產(chǎn)胞內(nèi)酶等方面對酶、細胞和原生質(zhì)體固定化技術(shù)進行了系統(tǒng)研究.固定化細胞生產(chǎn)A_淀粉酶、糖化酶和果膠酶的研究結(jié)果8 表明,固定化細胞生產(chǎn)胞外酶具有穩(wěn)定性好、酶產(chǎn)率高、可以反復多次使用和可連續(xù)生產(chǎn)等顯著特點, 有利于胞外酶生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。1988年,“固定化微生物細胞發(fā)酵生產(chǎn)胞外酶”獲廣東省生物技術(shù)專項獎一等獎,”

9、光交聯(lián)樹脂固定化細胞生產(chǎn)A_淀粉酶和糖化酶研究”獲廣東省生物技術(shù)專項獎二等獎。1989年, 郭勇赴美國愛達荷大學進行合作研究,圓滿完成了固定化細胞生產(chǎn)A_淀粉酶的動力學研究。4 酶的定向固定化技術(shù)固定化酶技術(shù)的發(fā)展使酶工程效率更高、成本更低,產(chǎn)品更加豐富多彩,固定化酶在工業(yè)、臨床、分析和環(huán)境保護等方面有著廣泛的應用。但是,在大多數(shù)情況下, 酶固定化以后活性部分失去, 甚至全部失去。一般認為,酶活性的失去是由于酶蛋白通過幾種氨基酸殘基在固定化載體上的附著( attachment)造成的。這些氨基酸殘基主要有:賴氨酸的E- 氨基和N- 末端氨基,半胱氨酸的巰基,天門冬氨酸和谷氨酸的羧基和C- 末端

10、氨基,酪氨酸的苯甲基以及組氨酸的咪唑基,由于酶蛋白多點附著在載體上,引起了固定化酶蛋白無序的定向和結(jié)構(gòu)變形的增加。近來,國外的研究者們在探索酶蛋白的固定化技術(shù)方面,已經(jīng)尋找到幾條不同途徑,使酶蛋白能夠以有序方式附著在載體的表面,實現(xiàn)酶的定向固定化,而使酶活性的損失降低到最小程度。目前,文獻中涉及的定向固定化方法有如下幾種9: (1)借助化學方法的位點專一性固定化;(2) 磷蛋白的位點專一性固定化;(3) 糖蛋白的位點專一性固定化;(4)抗體(免疫球蛋白)的位點專一性固定化;(5)利用基因工程的位點專一性固定化。這種有序的、定向固定化技術(shù)已經(jīng)用于生物芯片、生物傳感器、生物反應器、臨床診斷、藥物設

11、計、親和層析以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究。這種定向固定化技術(shù)具有以下一些優(yōu)點:(1) 一個酶蛋白分子通過其一個特定的位點以可重復的方式進行固定化;(2)蛋白質(zhì)的定向固定化技術(shù)有利于進一步研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu);(3)這種固定化技術(shù)可以借助一個與酶蛋白的酶活性無關或影響很小的氨基酸來實現(xiàn)。5 酶工程的應用進展105.1 活性多肽的開發(fā)研究近年來,人們利用酶工程技術(shù)來開發(fā)功能性活性肽取得了很大的進展。生物活性肽是蛋白質(zhì)20種天然氨基酸以不同排列組合方式構(gòu)成的從二肽到復雜的線性或環(huán)形結(jié)構(gòu)的不同肽類的總稱,是源于蛋白質(zhì)的多功能化合物?；钚噪木哂卸喾N人體代謝和生理調(diào)節(jié)功能,易消化吸收,有促進免疫、激素調(diào)節(jié)、抗菌、

12、抗病毒、降血壓、降血脂等作用,且食用安全性極高。生物活性肽主要是通過化學法或酶法降解蛋白質(zhì)而制得。其中,酶法降解蛋白質(zhì)生產(chǎn)活性多肽安全性極高,能在溫和的條件下進行定位水解分裂產(chǎn)生特定的肽, 且水解過程易控制, 因而近幾年報道的活性肽的制備方法皆為酶解法。目前已從酪蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、水產(chǎn)蛋白的酶解物中制得一系列功能各異的生物活性肽。5.2 在污染治理中的應用：(1)辣根過氧化物酶。辣根過氧化物酶是酶處理廢水領域中應用最多的一種酶。有過氧化氫存在時,它能催化氧化多種有毒的芳香族化合物,其中包括酚、苯胺、聯(lián)苯胺及其相關的異構(gòu)體,反應產(chǎn)物是不溶于水的沉淀物。(2)木質(zhì)素過氧化物酶。木

13、質(zhì)素過氧化物酶,也叫木質(zhì)素酶,是白腐真菌細胞酶系統(tǒng)的一部分。它可以處理很多難降解的芳香族化合物和氧化多種多環(huán)芳烴、酚類物質(zhì)。(3)漆酶。漆酶由一些真菌產(chǎn)生,通過聚合反應去除有毒酚類。而且,由于它的非選擇性,能同時減少多種酚類的含量。漆酶的去毒功能與被處理的特定物質(zhì)、酶的來源及一些環(huán)境有關。(4)蛋白酶。蛋白酶是一類水解酶,在魚、肉加工工業(yè)廢水處理中得到了廣泛應用。蛋白酶能使廢水中的蛋白質(zhì)水解,得到可回收的溶液或有營養(yǎng)價值的飼料。(5)微生物脂酶。脂酶應用于被污染環(huán)境的生物修復以及廢物處理是一個新興的領域。石油開采和煉制過程中產(chǎn)生的油泄漏, 脂加工過程中產(chǎn)生的含脂廢物,都可以用不同來源的脂酶進行

14、有效處理。一項日本專利報道了直接在廢水中培養(yǎng)親脂微生物來處理廢水。脂酶在生物修復受污染環(huán)境中獲得了廣泛的應用。6 酶工程的發(fā)展前景1121世紀,生物科學與生物工程的發(fā)展將進一步揭示生命的奧秘,在世界科技和經(jīng)濟發(fā)展中起主導和支柱作用。作為生物工程重要組成部分的酶工程亦將飛速發(fā)展, 前景廣闊。我們將在原有的基礎上,運用已經(jīng)熟悉掌握的酶工程基本理論和基本技術(shù),進一步進行酶工程新技術(shù)、新工藝和新產(chǎn)品的研究開發(fā),特別是在研究成果的產(chǎn)業(yè)化方面下功夫,使我校酶工程研究在新世紀取得新的輝煌。21世紀酶工程的發(fā)展主題是: 新酶的研究與開發(fā),酶的優(yōu)化生產(chǎn),酶的高效應用。6.1 新酶的研究與開發(fā)隨著酶工程的發(fā)展,目

15、前已知的酶已不能滿足人們的需要,研究和開發(fā)新酶已成為酶工程發(fā)展的前沿課題。新酶的研究與開發(fā),除采用常用技術(shù)外,還可借助基因組學和蛋白質(zhì)組學的最新知識,借助DNA 重排和細胞、噬菌體表面展示技術(shù)。目前最令人矚目的新酶有抗體酶和端粒酶等。我們已經(jīng)了解了這些新酶的基本特性, 并已開展部分研究,有望在這些新酶的研究中取得突破性的進展。6.1.2 抗體酶的研究與開發(fā)抗體酶( Abzyme) 又稱為催化性抗體( Cata_lyzed Antibo dies)。是一類具有生物催化功能的抗體分子?？贵w是由抗原誘導產(chǎn)生的能與抗原特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)。預計人體的免疫系統(tǒng)具有產(chǎn)生10萬種抗體的能力。只要在抗體與抗原的

16、結(jié)合部位賦予酶的催化特性，抗體就有可能成為有催化活性的抗體酶。其中有些是原本在自然界不存在的新酶.抗體酶可以采用誘導法， 也可采用修飾法獲得。修飾法是采用分子修飾技術(shù)，將抗體結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)改變成為酶分子的活性中心，從而產(chǎn)生有催化活性的抗體。誘導法可以采用某種酶為抗原，誘導生成該酶的抗體，再以該酶的抗體為抗原，誘導抗抗體的產(chǎn)生。這樣，抗抗體的結(jié)合部位與作為抗原的酶的活性中心具有相同的構(gòu)象，就有可能篩選得到抗體酶，也可以采用某種化合物為半抗原，將它與蛋白質(zhì)相結(jié)合后作為抗原，誘導抗體酶的產(chǎn)生?？贵w酶將成為本世紀新酶研究開發(fā)的重要方面。6.1.3 端粒酶的研究與開發(fā)端粒酶( Telomerase )

17、是催化端粒( Telomere)合成和延長的酶，與細胞的衰老及癌癥的發(fā)生有很大關系。端粒能保護真核生物染色體DNA 免遭破壞，由于細胞中存在各種破壞染色體DNA 的不良因素，加上真核生物中存在的“末端復制問題”，若細胞無法填補這些空隙，染色體DNA 將隨每一次細胞分裂而縮短，直至D NA 被破壞而引起細胞消亡。端粒的存在不但可避免外界因素對D NA 的破壞，而且可在復制過程中，通過犧牲自我而保護染色體DNA的完整。自一出生，人的正常體細胞內(nèi)就有很長的端粒，但卻檢測不到端粒酶的活性( 生殖細胞和干細胞除外)，所以正常體細胞的端粒不能延長，只會不斷縮短，直至生命結(jié)束?？梢姸肆Ｃ概c人的衰老有密切關系

18、，端粒酶的研究對延緩衰老有重要意義，在各種癌細胞中都可檢測到很強的端粒酶活性。因此癌細胞能不斷分裂而不會自然消亡，研究、開發(fā)端粒酶的抑制劑，在癌癥治療方面開創(chuàng)嶄新的局面。6.2 酶的優(yōu)化生產(chǎn)酶的優(yōu)化生產(chǎn)是通過各種調(diào)控技術(shù)使酶的生產(chǎn)在最優(yōu)化的條件下進行，以獲得更多更好的酶。這是酶工程研究成果產(chǎn)業(yè)化的重要條件，常用的方法是對培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件和分離純化條件等進行優(yōu)化。然而在生物工程高速發(fā)展的今天，用于生產(chǎn)酶的細胞大多數(shù)都是經(jīng)過基因轉(zhuǎn)移或基因改造的細胞，傳統(tǒng)的方法已不能適應酶工程發(fā)展的要求，必須在代謝調(diào)控理論的指導下，采用先進的調(diào)控技術(shù)對酶的生物合成進行全面的調(diào)節(jié)控制，并采用先進的生化分離技術(shù)，才能達

19、到優(yōu)化生產(chǎn)的目的。我們在酶的生物合成及其調(diào)節(jié)控制、酶的分離純化等方面的研究成果和經(jīng)驗，為進一步的研究、開發(fā)打下了堅實基礎。7 展望酶工程作為生物工程的重要組成部分，其作用之重要、研究成果之顯著已為世人所公認。充分發(fā)揮酶的催化功能、擴大酶的應用范圍、提高酶的應用效率是酶工程應用研究的主要目標。21世紀酶工程的發(fā)展主題是12：新酶的研究與開發(fā)、酶的優(yōu)化生產(chǎn)和酶的高效應用。除采用常用技術(shù)外，還要借助基因組學和蛋白質(zhì)組學的最新知識,借助DNA重排和細胞、噬菌體表面展示技術(shù)進行新酶的研究與開發(fā)，目前最令人矚目的新酶有核酸類酶、抗體酶和端粒酶等。要采用固定化、分子修飾和非水相催化等技術(shù)實現(xiàn)酶的高效應用,將固定化技術(shù)廣泛用于生物芯片、生物傳感器、生物反應器、臨床診斷、藥物設計、親和層析以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究，使酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。展望未來, 酶這一神奇的生物催化劑將在更加廣泛的領域中得到應用, 酶制劑工業(yè)將成為國民經(jīng)濟中不可或缺的重要組成部分。我國的酶制劑工藝起步晚, 底子薄, 雖然近年來發(fā)展很快, 但我們也應清醒地看到, 由于我們起步較遲、技術(shù)水平落后, 目前酶制劑工業(yè)的發(fā)展還不能適應國民經(jīng)濟的發(fā)展要求。我國的酶制劑與技術(shù)進入國際市場參與競爭還有相當大的難度, 我們還必須繼續(xù)學習, 取人之長,緊跟國際酶工程技術(shù)的最新發(fā)展,