| 单词 | 酶工程 |
| 释义 | 【酶工程】 酶是生物体内进行自我复制、新陈代谢所不可缺少的生物催化剂。由于酶能在常温、常压、中性pH等温和条件下高度专一有效地催化底物发生反应，所以酶的开发和利用是当代技术新革命中的一个重要课题。酶工程主要指自然酶制剂在工业上的大规模应用，由四个部分组成：(1)酶的产生；(2)酶的分离纯化；(3)酶的固定化；(4)生物反应器。酶工程是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的边缘科学技术。 人类对酶的利用源远流长，可上溯至几千年以前。一般认为酶工程的发展历史应从第二次世界大战后算起。从50年代开始，由微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。60年代后，由于固定化酶、固定化细胞崛起，使酶制剂的应用技术面貌一新。70年代后期以来，由于微生物学、遗传工程及细胞工程的发展为酶工程进一步向纵深发展带来勃勃生机，从酶的制备方法、酶的应用范围到后处理工艺都受到巨大冲击。尽管目前业已发现和鉴定的酶约有8000多种，但大规模生产和应用的商品酶只有数十种。自然酶在工业应用上受到限制的原因主要有：(1)大多数酶脱离其生理环境后极不稳定，而酶在生产和应用过程中的条件往往与其生理环境相去甚远；(2)酶的分离纯化工艺复杂；(3)酶制剂成本较高。因此，根据研究和解决上述问题的手段不同把酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。前者指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用；后者则是酶学和以基因重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，主要包括3个方面：(1)用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)；(2)修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶)；(3)设计新的酶基因合成自然界不曾有的新酶。1971年，第1次国际酶工程会议在Hennileer召开，当时酶制剂已广泛用于工业和临床。如千烟等人将固定化氨基酰化酶拆分氨基酸技术用于工业化生产L－氨基酸，开创了固定化酶应用的局面，千畑也因而成为1983年酶工程会议受奖人。此后，固定化门冬氨酸酶合成L－门冬氨酸、固定化葡萄异构酶(生产高果糖浆)等的工业化生产取得成功。固定化酶较自由酶具有很多优点：(1)稳定性高；(2)酶可反复使用；(3)产物纯度高，副产物少，从而有利提纯；(4)生产可连续化、自动化；(5)设备小型化，节约能源等。因此固定化酶研究仍是酶工程研究的中心，其应用范围越来越广。除应用于传统的食品工业(乳糖的分解、乳酪制造、牛奶消毒、酒精生产等)外，在其他领域如有机合成反应、分析化学、医疗、废液处理、亲合层析等也获得广泛应用。在固定化酶的基础上又逐渐发展固定化细胞的技术。近年来，后来居上的固定化细胞技术发展更为迅速，在实际应用方面已大大超过固定化酶。在工业应用方面，利用固定化酶母细胞发酵生产酒精、啤酒的研究较引人注目。日本Toshio Onaka等用海藻酸钙凝胶包埋酵母细胞，可在一天内获得质量优良的啤酒。法国Corriell等将酵母细胞固定在聚氯乙烯碎片和多孔砖等载体上进行啤酒发酵中型试验，可连续运转8个月。中国上海工微所等单位也从70年代后期进行过类似的研究工作，用固定化酵母发酵啤酒的规模不断扩大，已正式投入大规模生产。以往对微生物细胞固定化的厂家多集中在细菌和酵母。然而，很多具有工业生产价值的代谢产物(如酶、抗生素、有机酸和甾体化合物等)都是由丝状真菌生产的。目前用于固定丝状真菌的方法主要是吸附法和包埋法。但包埋法由于限制了足够的氧气供给细胞，使固定化丝状真菌生产代谢产物的效率非常低。瑞典Mosbach等得出一种利用高分子聚合物包埋各种细胞的通用的固定化方法，能固定细菌、酵母、动植物细胞及人工组建的细胞，生产各种代谢产物。1984年，他们曾用琼脂糖胶分别包埋杂交瘤细胞LSP21和淋巴细胞MLA144生产单克隆抗体和白细胞间质素。1980年，Wagner等人报道，将大肠杆菌ACTT11105的青霉素酰化酶基因克隆到质粒上，获得产酶活力更高的大肠杆菌5K(PHM12)杂交株，并将此大肠杆菌杂交株固定，用于生产青霉素酰化酶。这是基因工程与酶工程相结合的第一例。近年来，有关藻类等各种植物细胞、原生动物等各种动物细胞固定化研究十分活跃。1980年，Lim和Sun报道，用海藻酸钙包埋胰岛细胞可用于大白鼠糖尿病的治疗研究。酶制剂的应用并不一定都需要固定化，而且用固定化的天然酶也仍有必要提高其活性，改善其某些性质，以便更好地发挥酶的催化功能。由此而提出了酶分子的改造和修饰。在第7届酶工程会议上以酶分子改造和修饰为主要内容的提高酶稳定性的研究占较大比例，它与基因工程的应用、活细胞的固定化一起，成为1983年酶工程会议最为活跃的三大领域。通常将改变酶蛋白一级结构的过程称为改造，而将酶蛋白侧链基团的共价变化称为修饰。酶分子经加工改造后，可导致有利于应用的许多重要性质与功能的变化。如德重等人利用蛋白水解酶的有限水解作用，已将L－门冬氨酸酶的活力提高3～5倍。美国Davis等人还利用蛋白质侧链基团的修饰作用研究降低或解除异体蛋白的抗原性及免疫原性，以聚乙二醇修饰治疗白血病的特效药L－门冬酰胺酶，使其抗原性完全解除。在酶工程研究中，与酶分子本身不直接有关的有两项重要内容：酶生物反应的研究和酶抑制剂的研究。酶生物反应器住往可以提高催化效率、简化工艺从而增加经济效益。结合固定化技术，业已发展成酶电极、酶膜反应器、免疫传感器及多酶反应器等新技术。这在化学分析、临床诊断与工业生产过程的监测方面成为很有价值的应用技术。酶抑制剂，尤其是微生物来源的酶抑制剂多是重要抗生素。酶抑制剂还可在代谢控制、生物农药、生物除草剂等方面发挥特殊作用，其低毒性倍受人们欢迎。酶抑制剂的开发业已受到国际产业部门的重视。从酶工程的进展和动态中可以预料，今后将会出现一批基因工程表达的酶制剂，亲和层析技术仍将得到广泛应用，并会出现一个应用经分子改造与修饰的酶制剂的热潮。异体酶的抗原性将得到解决。在酶活性的控制方面将会有较大突破，其中酶抑制剂与激活剂仍将受到极大重视，并在临床及工农业生产中发挥重要作用。在化学合成工业中，酶法生产将有重大贡献；模拟酶、酶的人工设计合成、抗体酶、杂交酶将成为活跃的研究领域。非水系统酶反应技术(反向胶团中的酶促反应，有机溶剂中的酶反应)也仍将是研究热点之一。(山西大学分子科学研究所郝军山撰) |
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