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1、退出酶工程Enzyme Engineering王林嵩退出第一章 绪论n第一节酶工程的研究内容n第二节生物催化n第三节 国内外酶制剂工业概况退出第一节 研究内容 n一概念：n二酶工程研究简史n三研究内容退出酶的概念酶(enzyme)是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催 化剂。酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调 节控制的具有催化能力的生物催化剂。酶具有一般催化剂的特征：1.只能进行热力学上允许进行 的反应；2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变 反应的平衡点；3.通过降低活化能加快化学反应速度。一 概念退出n酶工程（ Enzyme Engineering）n酶的生产、改性与应用
2、的技术过程。是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学，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。n这门学科在研究内容、手段和目的上与基 因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工 程等孪生学科是相互交融的。 退出n酶的生产（enzyme production）是指通过 各种方法获得人们所需的酶的技术过程，主 要包括微生物发酵产酶、动植物培养产酶和 酶的提取与分离纯化等。n提取分离法n生物合成法n化学合成法n酶的生产方法退出酶的生产方法提取分离法 (Extraction)生物合成 (Biosynthesis)化学合成 (chemical synthesis)SOD - bl
3、ood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea organ/tissue/cellAmylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus Plant cell culture Animal cell cultureFew example退出退出n酶的改性（enzyme improving）是通过各种 方法改进酶的催化特性的技术过程，主要包 括酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化和 酶定向进化等。n酶的应用（enzyme a
4、pplication）是通过酶的 催化作用获得人们所需的物质或者除去不良 物质的技术过程，主要包括酶反应器的选择 与设计以及酶在各个领域的应用等。退出n酶工程的主要任务是经过预先设计，通过人 工操作获得人们所需要的酶，并通过各种方 法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催 化功能。退出1.化学酶工程2. 生物酶工程1 自然酶的开发 2 酶的化学修饰 3 酶的固定化 4 人工合成酶的研究1 酶基因的克隆表达 2 酶的遗传修饰 3 酶的遗传设计二 研究内容研究内容退出n酶工程的主要内容包括：微生物细胞发酵产 酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离 纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固 定化，酶非水
5、相催化，酶定向进化，酶反应 器和酶的应用等。退出n微生物酶源是酶工程研究的源流 n以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是革 命性导向 n在30亿年生物进化中，只发现了1055种功能 蛋白和酶，经计算，300个氨基酸可组成不同 序列的蛋白质约有10390种，因而在自然界， 绝大多数新蛋白酶仍未产生，有待人类去进 行人工定向进化，创造开发新酶类。 退出n美国宝洁公司用重组DNA技术获得高活性、 高稳定性脂肪酶用于去污剂工业。诺维信公 司克隆淀粉酶基因重组工程菌，显著提高 了产酶速度及酶量，还构建了耐热淀粉酶 及脂肪酶应用于工业生产。 退出n 构建新酶是酶工程研究的前沿n构建有别于天然功能酶的新酶类，
6、是酶工程 研究的又一前沿领地。n抗体酶（Abzyme） n核酶（Ribozyme） n人工合成酶（Synzyme）是合成具有催化功 能的高聚物分子退出n分子水平的酶法分析与生物传感器分子酶工 程发展了各种生物分析技术。 n酶学与酶工程的研究领域还有固定化生物催 化剂及酶反应器的工业应用，以及作为生物 功能信息分子参与生命过程调控的糖的酶促 合成的糖工程等。 退出三. 酶工程研究简史n1894年，日本的高峰让吉首先从米曲霉中制 备得到淀粉酶（又称高峰淀粉酶），用作消 化剂，开创了近代酶的生产和应用的先例。n此后近半个世纪的时间里，都是停留在从动 物、植物或微生物细胞中提取酶并加以应用 的阶段。n
7、1916年美国的奈尔森（Nelson）和格里芬（ Griffin）发现蔗糖酶吸附在骨炭上后，仍然显示 出催化活性。退出n1949年，日本开始采用微生物液体深层培养 方法进行细菌-淀粉酶的发酵生产，揭开了 现代酶制剂工业的序幕，发酵工程技术发展 使酶的生产得以大规模发展。n1960年，法国的雅各布（Jacob）和莫诺德 （Monod）提出操纵子学说，阐明了酶生物 合成的调节机制，从而显著提高了酶的产率 。退出n20世纪80年代迅速发展起来的动植物细胞培 养技术，继微生物发酵生产酶之后，已成为 酶生产的又一种途径。n随着酶生产的发展，酶的应用越来越来广泛 。由于酶具有专一性强、催化效率高、作用 条
8、件温和等显著的特点，在医学、食品、轻 工、能源、环保和科研等领域广泛应用。退出n1953年，德国的格鲁布霍费（Grubhofer）和施 来斯（Schleith）首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮 化，然后将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核 酸酶等与上述载体结合，制成固定化酶。1969年 ，日本的干畑（tin）一郎首次在工业上应用固 定化氨基酰化酶进行DL-氨基酸拆分而产生L-氨 基酸，从此学者们开始用“酶工程”这个名词来代 表酶的生产和应用的科学技术领域。n固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪 60年代,70年代已在全世界普遍开展 。退出n在固定化酶的基础上，又发展了固定化细胞 （固定化活
9、细胞或固定化增值细胞）技术。 1978年，日本的铃木等用固定化细胞生产- 淀粉酶研究成功。此后，采用固定化细胞生 产蛋白酶、糖化酶、果胶酶、溶菌酶、天冬 酰胺酶等的研究相继取得进展。n1986年，我国学者郭勇等采用固定化原生质 体生产碱性磷酸酶、葡萄糖氧化酶、谷氨酸 脱氢酶等的研究相继成功，为胞内酶的连续 生产开辟新途径。退出n1984年，克里巴诺夫（Klibanov）等进行了 有机介质中酶的催化作用的研究，发现脂肪 酶在有机介质中不但具有催化作用，而且还 具有很高的热稳定性，改变了酶只能在水溶 液中进行催化的传统观念。此后，有机介质 中酶的催化作用的研究迅速发展。退出n 20世纪80年代以来
10、，酶分子修饰技术发 展很快，修饰方法主要有：酶分子主链修饰 、酶分子侧链基团修饰、酶分子组成单位置 换修饰、酶分子中金属离子置换修饰和物理 修饰等。退出n随着易错PCR（error-prone PCR）技术、 DNA重排（DNA shuffling）技术、基因家族 重排（gene family shuffling）技术等体外基 因随机突变技术以及各种高通量筛选（high- throughout screening）技术的发展，酶定向 进化（enzyme directed evolution）技术已经 发展成为改进酶催化特性的强有力手段。退出n酶的定向进化是一种快速有效地改进酶的催 化特性（底物
11、特异性、酶活性、稳定性、对 映体选择性等）的手段，通过酶的定向进化 ，有可能获得具有优良特性的酶分子。酶的 定向进化技术已经成为酶工程研究的热点。n经过100多年的发展，酶工程已经成为生物工 程的主要内容。在世界科技和经济的发展中 起重要作用。退出生物学化学 工程工程学化学生物 工程生物 化学生物 技术第二节 生物催化新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生退出生物技术医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术.用生物或生物分子机器生产产品和解决问题生物技术的具体应用退出生物技术产业化的三个浪潮医药生物技术: 1982年重组人胰岛素上市农业生物技术: 1996年转基因大豆、
12、玉米、油菜相继上市工业生物技术: 世纪之交聚交酯、生物钢、聚乳酸相继上市工业生物技术-迈向发达国家之战略退出工业生物技术n含意：在工业规模的生产过程中使用或部分 使用生物技术来实现产品的制造，这种技术 是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服 务n核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或 酶）作为催化剂实现物质转化 工业生物技术是生物技术的重要组成部分退出工业生物技术发展空间提升传统产业生物能源环境生物技术生物材料退出底物生物反应器检测控 制仪表培养基（灭菌）经加工 原料酶细胞生物催化剂 （游离或固定化）机械能除 菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？核心技
13、术？退出生物催化（Biocatalysis)n 利用酶或有机体（细胞或细胞器等 ）作为催化剂实现化学转化的过程。生物转化（生物转化（Biotransformation)Biotransformation)外源化学物在机体内经多种酶催化 的代谢转化。生物转化是机体对外源化 学物处置的重要的环节，是机体维持稳 态的主要机制。 退出生物催化化学工业发酵工业轻工业采矿医药食品能源材料生物安全环境生物催化是工业生物技术的核心技术退出退出以生物催化法合成的主要产品 产品名称产量丙烯酰胺10万吨/年聚乳酸1.3万吨/年阿斯巴甜2万吨/年生物柴油与汽油1000万吨/年抗菌素中间体6APA0.9万吨/年6-氨基
14、青霉烷酸 退出趋势判断和需求分析 生物催化剂在精细化学品市场中呈现强 劲的增长势头。通过生物催化技术，将实现化学工业的原料 消耗、水资源消耗、能量消耗降低30%，污 染物的排放和污染扩散减少30%。退出趋势判断和需求分析n目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标 并且已成为一些公司谋求发展和提升地位的 工具 。nDegussa、DSM、Roche、BASF、Dow、 Lonza等许多跨国公司都在积极采取措施， 扩大他们在生物催化领域里的生产能力。退出生物催化发展的主要推动力新产品需求 (社会压力) -健康：医药、检测 -日用品：洗涤用品、乳品、生物可降解塑料环境 (法律法规压力) 绿色化学、能源
15、、温室效应新发现或基础研究 (技术压力） 基因工程 /定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学得益/成本降低 (商业压力) -生物分离退出The Biocatalysis Cycle退出生物催化剂工程的目标 n开发生物催化剂：催化性能更好、更快，成 本更低n开发生物催化剂工具盒：催化反应更广泛， 功能更多样 n改善性能: 稳定性, 活性，溶剂兼容性n开发分子模型: 新酶的快速重新设计n创造新技术: 用于新生物催化剂的开发 退出生物催化剂发展的工业展望Competitive ImperativeCurrent Chemical VarietiesCurrent BiocatalystsBiocat
16、alyst of the FutureSpeed to Market2-5 years10 years2-3 yearsCost to Manufacture$1-10/kg$10-100/kg$1-3/kgRange of ProductsBroadNarrowBroad退出生物催化剂工程技术瓶颈n对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识n对次级代谢产物代谢途径（包括途径间相互 关系）缺乏理解n细胞工程化的方法十分有限（即代谢工程）n生产酶和辅因子的成本过高退出生物催化剂的发现微生物n可培养微生物酶资源的开发利用n不可培养微生物酶资源的开发利用基因n已知基因的克隆n未知基因的克隆退出当前生物催化的研究热点n n新酶或已有酶的新功能的开发新酶或已有酶的新功能的开发n n根据已有底物开发新的酶反应根据已有底物开发新的酶反应n n利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能n n利用重组利用重组DNADNA技术大规模生产生物催化剂技术大规模生产生物催化剂n n利用有机
