酶工程

《酶工程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《酶工程（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、华东理工大学 酶工程讲义 1 第一章 概论 第一章 概论 第一节 研究内容 一、概念 第一节 研究内容 一、概念 酶工程（ Enzyme Engineering）是随着酶学迅速发展，特别是应用通广，使酶学和工 程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学。 从应用目的出发研究酶， 就是在一定的生物反 应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。50 年代，这一方面文章不超 过 10 篇，60 年代起迅速发展，当时日本研究就很活跃，现在仍是世界上领先国家之一。 二、应用领域 二、应用领域 1969 年，日本田边制药公司的一位科学家采用固定化氨基酰化酶，成功地将化学法合 成的氨基酸转化成人体可

2、以直接利用的氨基酸，成本只有传统工艺的 60%，第一次将固定化 酶成功地应用于工业生产。现在酶工程已深入各个领域。 为工业生产锦上添花。 环境卫士：利用聚丙乙烯，海藻酸钙包埋热带假丝酵母或者将假单孢菌固定在无烟 煤颗粒上， 形成一个固定化的薄膜， 这种固定化反应器可以分解废水中的酚， 几分钟内 0.01% 降道 0.0001%。 生物传感器。 医药上：尿激酶（有效溶血物质） 。 生物芯片。 三、研究内容 三、研究内容 酶制剂的分离、提纯、大批量生产及新酶开发。 酶生产中基因工程技术的应用。 酶与细胞固定化。 酶分子改造与化学修饰，以及酶结构与功能的研究。 酶的应用性开发。 酶反应器的研究（包括

3、反应检测） 酶抑制剂、激活剂开发及应用研究。 模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成的研究 非水相介质中酶的催化。 第二节 国内外酶制剂工业概况 一、国内外酶制剂生产及销售状况 二、我国酶制剂生产的不足点 第二节 国内外酶制剂工业概况 一、国内外酶制剂生产及销售状况 二、我国酶制剂生产的不足点 科研经费和技术力量投入不够，酶制剂的菌种产酶水平与国外有较大差距。 酶的品种和品级系列存在差距。 生产装备落后，提炼工艺研究重视不够。 三、我国酶制剂生产努力方向。 三、我国酶制剂生产努力方向。 增加科研投入 开发活性专一菌株。 研究新的分离技术，降低分离纯化成本。 第三节 生物芯片 一、生物芯片简介

4、第三节 生物芯片 一、生物芯片简介 （一）生物芯片的来源 （二）生物芯片的概念 生物芯片是将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程(如样品制备、化学反应和分 析检测)，利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术在固体芯片表面构建的微流华东理工大学 酶工程讲义 2 体分析单元和系统，使之连续化、集成化、微型化。 （三）生物芯片技术主要包括四个基本要点 芯片方阵的构建：芯片制备，先将玻璃片或硅片进行表面处理，然后使 DNA 片段或 蛋白质分子按顺序排列在片芯上。 样品的制备：生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一 般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理，获取其中的蛋白

5、质或 DNA、RNA，并且加 以标记，以提高检测的灵敏度。 生物分子反应：生物分子反应，芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一 步。 通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中， 减少生物分子之间的错配 比率。 信号的检测： 芯片信号检测， 常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中， 通过扫描以获得有关生物信息。 （四）生物芯片的主要类型 生物芯片技术是一种高通量检测技术， 它包括基因芯片、 蛋白芯片及芯片实验室三大领 域。 基因芯片(Genechip)又称 DNA 芯片 （DNAChip） 。 它是在基因探针的基础上研制出的， 所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，

6、在探针上连接一些可检测的物质， 根据碱基互 补的原理， 利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。 它将大量探针分子固定于支持物上， 然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。 基因芯片是生物芯片研究中，最先实现商品化的产品。目前，比较成熟的产品有检测基 因突变的芯片，检测细胞基因表达水平的表达基因芯片。 蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原 结合的特异性即免疫反应来检测。 蛋白质芯片构建的简化模型为： 选择一种固相载体能够牢 固地结合蛋白质分子（抗原或抗体） ，这样形成蛋白质的微阵列，即蛋白质芯片。如果加入 与之特异性反应的带有特殊标

7、记的蛋白质分子（抗体或抗原） ，两者结合后，通过对标记物 的检测来实现抗原抗体的互检， 即蛋白质的检测。 此种方法构建的模型所需蛋白质的量极少， 反应相对较快，蛋白质芯片稳定性较好，灵敏度较高，在临床检测方面大有发展。 芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携 式生物分析系统， 它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成， 从而使 现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩 化，属未来生物芯片的发展方向。 二、生物芯片的应用前景展望 二、生物芯片的应用前景展望 生物芯片的成熟和应用一方面将为下个世纪的疾病诊断和

8、治疗、 新药开发、 分子生物学、 航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命；另一方面生物芯片的出现 为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、 并行采集和分析的强有力的技术手段， 故必将 成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。 （一）基因芯片 它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。 这些应用主要包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因 文库作图以及等方面。 表达检测。人类基因组编码大约 10 万个不同的基因，仅掌握基因序列信息资料，要 理解其基因功能是远远不够的，因此，具有监测大量 mRNA（信使

9、RNA，可简单理解为基因表 达的中介物）的实验工具很重要。有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性进行的 研究实验表明芯片技术易于监测非常大量的 mRNAs 并能敏感地反映基因表达中的微小变化。华东理工大学 酶工程讲义 3 利用基因芯片技术人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、 酵母及人的基因组表达情况进 行了研究，并且用该技术（共 157,112 个探针分子）一次性检测了酵母几种不同株间数千个 基因表达谱的差异。 寻找新基因。有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因 发现，如 HME 基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。 DNA 测序。人类基因组计划

10、的实施促进了更高效率的、能够自动化操作的测序方法 的发展， 芯片技术中杂交测序技术及邻堆杂交技术即是一种新的高效快速测序方法。 如使用 美国 Affymetrix 公司 1998 年生产出的带有 13.5 万个基因探针的芯片就可以使人类 DNA 解 码速度提高了 25 倍。 核酸突变的检测及基因组多态性的分析。有关实验结果已经表明 DNA 芯片技术可快速、 准确地研究大量患者样品中特定基因所有可能的杂合变异。 对人类基因组单核苷酸多态性的 鉴定、作图和分型，人线粒体 16.6kb 基因组多态性的研究等。随着遗传病与癌症相关基因 发现数量的增加，变异与多态性分析必将越来越重要。 （二）蛋白质芯片

11、 蛋白质芯片以蛋白质代替 DNA 作为检测目的物， 比基因芯片更进一步的接近生命活动的 物质层面，因而有着比基因芯片更加直接的应用前景。 人类基因组大规模测序工作接近尾声， 以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究内容的 后基因组时代来临。 蛋白质芯片作为检测蛋白质存在和运动变化的高效工具， 必将发挥越来 越大的作用。 美国 Ciphergen 公司的芯片能够从人体体液或组织中获取大量的微量蛋白质， 以绘制捕 获的蛋白质图谱。其第一代系统已经使用了两年，功效显著。蛋白质芯片可以准确而迅速地 提供多标记蛋白质的“显性指纹”-一种比任何单个标记更有效的疾病阶段指示剂。在以 往的实验中，Cipherge

12、n 公司的科学家们利用蛋白质芯片系统对来自健康个体和不同癌症阶 段的患者的血清样本进行了研究。 仅在三天内他们找到了 6 种前列腺癌的潜在标记， 而利用 以往的标准技术，发现和确定同样数量的潜在标记可能需要数月至数年的时间才能得到证 明。 印度普度大学的科学家们宣布， 他们已经率先研制成功一种蛋白质生物芯片， 通过这种 生物芯片， 医生可以利用含有生物芯片的医疗设备迅速而准确地对一般疾病进行诊断并对某 些化学治疗方法进行评估； 它还可以帮助士兵在战场上探测到来自敌方的生化攻击； 对农作 物的病虫害进行探测并发出警告； 同时它还能帮助科学家们对人们常用来治病的植物进行分 析，看它们是否确实含有具

13、治疗效果的化学成份，从而在此基础上研制并生产出新的药品。 （三）芯片实验室 美国普杜大学已开发出一种芯片实验室技术，将化学实验室的专用仪器缩微在芯片上， 芯片上的仪器缩小到常规仪器的千分之一甚至百万分之一。 这项成果使科学家能在一块硅片 上堆积几十个或几百“芯片实验室” ，每个“实验室”都能进行复杂的化学分析，从而可减 少很多化学和医学分析的费用，并提高效率。 三、生物芯片的研发和生产现状 三、生物芯片的研发和生产现状 （一）国际 美国 Affymetrix 公司是世界上最有影响的基因芯片开发制造商，该公司聚集有多位计 算机、 数学和分子生物学专家， 其每年的研究经费在一千万美元以上， 且已历

14、时六七年之久， 拥有多项专例。 目前，国际上已经有许多从事生物芯片研究的公司，每家公司的芯片技术都各具特色， 应用目的也不尽相同， 如加利福尼亚州森尼维尔的 Hyseq 公司,声称拥有最快的基因分析器, 它们由机器人制造,机器人把 DNA 探针滴到过滤纸上,其 DNA 阵具有优势,破译 DNA 的速度最华东理工大学 酶工程讲义 4 快。 帕洛阿尔托的 Syntenl 公司声称它的芯片衡量细胞中基因活动最有效， 公司正在利用基 因芯片研究前列腺癌等疾病。 圣迭戈的 Nanogen 公司计划进入诊断艾滋病毒和其它传染病的 市场。Incyte 制药公司与 Affymetrix 公司合作生产针对各种疾

15、病的基因分析芯片供药品研 究使用。 但是， 基因芯片要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术仍有一些关键问题亟待解 决如(1)基因芯片的特异性的提高；(2)样品制备和标记操作的简化；(3)增加信号检测的灵 敏度；(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发。 （二）国内 上海细胞所与陕西超群公司； 第四军医大与陕西高科集团； 联合基因科技公 司与第一军医大； 清华大学生物芯片研发中心。 四、我国生物芯片产业化的前景 四、我国生物芯片产业化的前景 （一）市场 药物筛选和新药开发。 中药基因组学研究和我国的中药现代化。 中药基因组学的含义是通过现代科学技术手段结合传统中药理论和现代科学理论， 将中 药的药性、 功能及主治与其对特定疾病相关基因表达调控的影响关联起来， 在分子水平上用 现代基因组学，特别是功能或疾病基因组学的理论来诠释传统中药理论及作用机理。 疾病诊断 基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技术，应用于疾病的诊断，其优点有以 下几个方面：一是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；三