酶工程的研究及其新进展

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1、酶工程研究及其新进展生物技术及应用王伟20090708018【摘要】酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。其主要任务是通过预先设计，经人工操作而获得大量所需的酶，并利用各种方法使酶发挥其最大的催化功能。本文意在阐述近年来酶工程在分子水平的研究进展，展示酶工程在医药、化工、食品、环境保护等领域的应用进展，并对其未来前景进行了展望。【关键词】酶工程；研究；应用；进展在20世纪中，物理、化学、数学、信息科学广泛而又深入地渗入生物学，促使生物学发生了全面而又彻底的变化，开创了全新的分子生物学，使生物学成为生命科学基

2、础研究的中心学科。在分子生物学的推动下，20世纪70年代，以基因工程为代表的高新技术—生物技术的出现，进而形成庞大的生物工程产业，对人类经济生活和社会生活产生了重大影响。酶工程是生物技术的一个重要组成部分。酶工程又称酶反应技术，就是指在一定的生物反应器内，利用生物酶作为催化剂，使某些物质定向转化的工艺技术。其应用范围已遍及工业、医药、农业、化学分析、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面。与此同时，酶工程产业也在快速发展。1998年全世界工业酶制剂销售额高达16亿美元。预计到2008年，销售额将达

3、到30亿美元。近年来，美国、欧洲共同体国家和日本，在酶工程研究和酶工程产业方面发展非常迅速，仍然居于领先地位。运用基因工程技术可以改善原有酶的各种性能，如提高酶的产量、增加酶的稳定性、使酶适应低温环境、提高酶在有机溶剂中的反应效率、使酶在后提取工艺和应用过程中更容易操作等。运用基因工程工程技术也可以将原来由有害的、未经批准的微生物产生的酶的基因，或由生长缓慢的、动植物产生的酶的基因，克隆到安全的、生长迅速的、产量很高的微生物体内，改由微生物来生产。运用基因工程工程技术还可以通过增加编码该酶的基因的拷贝数，

4、来提高微生物产生的酶的数量。这一原理已成功地应用于酶制剂的工业生产。目前，世界上最大的工业酶制剂生产厂商丹麦诺维信公司(Novozymes，由原诺和诺德公司酶制剂部独立而成)。生产酶制剂的菌种约有80%是基因工程菌。1.分子酶的研究进展分子酶工程学就是采用基因工程和蛋白质工程的方法和技术，研究酶基因的克隆和表达、酶蛋白的结构与功能的关系以及对酶进行再设计和定向加工，以发展更优良的新酶或新功能酶。1.1酶分子的定向改造和进化分子酶工程设计可以采用定点突变和体外分子定向进化两种方式对天然酶分子进行改造。体外定

5、向进化是近几年新兴的一种蛋白质改造策略，可以在尚不知道蛋白质的空间结构，或者根据现有的蛋白质结构知识尚不能进行有效的定点突变时，借鉴实验室手段在体外模拟自然进化的过程(随机突变、重组和选择)，使基因发生大量变异，并定向选择出所需性质或功能，从而使几百万年的自然进化过程在短期内得以实现。此目前采用体外分子定向进化的方法来改造酶蛋白的研究越来越多，并已在短短几年内取得了令人瞩目的成就，易错PCR和DNA改组就是其中2种方法。1.2融合蛋白与融合酶蛋白质的结构常常可以允许某个结构域的插入与融合。DNA重组技术的

6、发展与应用使不同基因或基因片段的融合可以方便地进行，融合蛋白经合适的表达系统表达后，即可获得由不同功能蛋白拼合在一起而形成的新型多功能蛋白。目前，融合蛋白技术已被广泛应用于多功能工程酶的构建与研究中，并已显现出较高的理论及应用价值。随着基因组、后基因组时代的到来和重组酶生产技术的开发，必将会有大量的、新的酶蛋白被人类发现。1.3人工合成酶和模拟酶酶的高度催化活性以及酶在工业上应用带来的巨大经济效益，促使人们研究人工合成的酶型催化剂。通常，人们将人工合成的具有类似酶活性的高聚物称之为人工合成酶(synzym

7、es)。人工合成酶在结构上必须具有两个特殊部位，即一个是底物结合位点，一个是催化位点。业已发现，构建底物结合位点比较容易，而构建催化位点比较困难，两个位点可以分开设计。但是后又发现，如果人工合成酶有一个反应过渡态的结合位点，则该位点常常会同时具有结合位点和催化位点的功能。人工合成酶通常也遵循MichaelisMenten方程。例如。高分子聚合物聚—4—乙烯基吡啶—烷化物，具有糜蛋白酶的功能，含辅基或不含辅基的高分子聚合物，具有氧化还原酶、参与光合作用的酶和各种水解酶等功能。在模拟酶(enzymemimic

8、s)方面，固氮酶的模拟最令人瞩目。人们从天然固氮酶由铁蛋白和铁钼蛋白两种成分组成得到启发，提出了多种固氮酶模型。如过渡金属(铁、钴、镍、等)的氮络合物，过渡金属(钒、钛等)的氮化物，石墨络合物，过渡金属的氨基酸络合物等。此外，利用铜、铁、钴等金属的络合物，可以模拟过氧化氢酶等。近来，国际上又发展起一种分子压印(molecularimprinting)技术，又称为生物压印(bioimprinting)技术。该技术可以借助模板在高