第十章酶学和酶工程研究今后的方向、进展、热点问题

三、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，人们将人工合成时具有类似酶活性的聚物称 之为人工合成酶。
人工合成酶在结构上必具有两个特殊部位，即一个 是底物结合位点，一是催化位点。
已经发现，构建底物结合位点比较容易，而构建催 化位点比较困难．两个位点可以分设计。
8.运用基因工程技术还可以通过增加编码该酶的基因的 拷贝数，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，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
由基因工程发展起来的蛋白质工程更加吸引人们的广泛 关注。在兴起之初，主要采用定点突变技术，
抗体和受体结合位点的模拟物可用于识别和检测系
统，分子压印的聚合物可用作生物传感器的识别单元。
有专家在演讲中介绍了人工合成酶在氧化还原反应 方面的进展。他将天然酶和人工合成酶置于膜反应器内， 比较了二者在连续氧化还原反应系统中的反应能力。
转换频率
空间时间产率
天然酶
高
低
人工合成酶．
低
高
在使用有机溶剂和各式各样不同的底物方面，人工合成酶 也要比天然酶优越得多．
改善原有酶的各种性能， 1.如提高酶的产量、 2.增加酶的稳定性、 3.使酶适应低温环境、 4.提高酶在有机溶剂中的反应效率、 5.使酶在后提取工艺和应用过程中更容易操作等， 6.运用基因工程技术也可以将原来有害的;未经批准的微 生物产生的酶的基因;
7.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 。
基因工程的飞速发展，我们可以通过研究能够获得自 然界原先并不存在的、具有全新结构和功能的蛋白质．同 样，这一项新技术也可以用于组建自然界原先并不存在的、 结构和功能全新酶蛋白。
在确定设计目标后，先根据一定规则产生初始序列，
经过结构预测和构建模型，对序列进行初步的修改，
然后进行基因表达或多肽合成，再经结构检测，确定是否与 原定目标相符。
对天然酶蛋白进行改造，已经取得很多成果。例如， 将T4溶菌酶的第51位苏氨酸转变成脯氨酸，使该酶对 ATP的亲和力增强，酶活力提高了25倍。
但定点突变技术只能对天然酶蛋白中某些氨基酸残 基进行替换，酶蛋白的高级结构基本维持不变，因此对 酶的功能的改造非常有限．
不过，如果通过多代遗传将突变积累起来，也可以 较好地拓展酶的功能。
并根据检测结果，指导进一步的设计。
尽管目前对蛋白质全新设计的理论基础，即蛋白质 折叠规律的认识还不够深入，蛋白质全新设计还处 在探索阶段，但定，其应用前景非常诱人，值得深 入探索和研究
二、酶在环境治理方面的应用研究 当前，环境污染己经成为制约人类社会发展的重要因
素．我国每年排出大量废水(416亿吨)废气和烟尘(2000万 吨)，以及固体废弃物(1000亿吨)，污染规模达到相当严 重的地步．美国也有大量土地、淡水和海水区域被污染。 据估计，仅治理被污染的土地一项，就耗资巨大。
原先人们常用的化学方法和物理方法，己经很难达到 完全清除污染物的目的。
微生物在环境治理方面发挥了十分巨大的作用，最 常用、最成熟的活性污泥废水处理技术，就是依靠了微 生物的作用、同样，各种微生物酶能够分解糖类、脂肪、 蛋白质，纤维素、木质素;环烃、芳香烃、有机磷农药、 氰化物、某些人工合成的聚合物等，正成为环境保护领 域研究的一个热点课题．
近来，Arndd利用所谓“定向酶进化”技术，在试管中 模拟达尔文进化论的关键过程。先进行无序突变和重 组，继而进行筛选，再通过多代遗传，可以大大改进 和拓展酶的功能。
近来国际上又提出酶蛋白全新设计的概念。
众所周知，蛋白质的空间结构由其氨基酸的序列控 制，而其功能又与结构密切有关。据计算，300个氨基酸 可以组成10390种不同序列的蛋白质。而从生物出现以来， 自然界估计有10Leabharlann Baidu5种蛋白质．即绝大多数新序列和新功能 的蛋白质或酶，在许多亿年的生物进化过程中还没有出现 过或者没有研究过的酶，有待我们去开发和创造．
在“模拟酶”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技术，又称为 生物压印(bidimprinting)技术。该技术可以借助模板在 高分子物质上形成特异的识别位点和催化位点。目前， 此项技术已经获得广泛的应用。例如，模拟酶可用于催 化反应，分子压印的聚合物可用作特制的分离材料，
酶学和酶工程研究今后的 方向、进展、热点问题
二十一世纪是生物学世纪，将在生物学领域有所发 明，有所发现。
在酶学和酶工程领域会有哪些进展呢？在21世纪 国际酶学和酶工程若干热点和前沿课题的研讨会上科学 家提供了一些观点，值得提供给大家。
一、基因工程和蛋白质工程的应用 有关基因工程在酶工程领域的研究文章大量涌现。 运用基因工程技术可以有什么好处？
四. 核酸酶 抗体酶 近年来，人们发现去除蛋白质的RNA和DNA也具有催
化功能，1982年Cech发现四膜虫的26SrRNA的前体，在 没有蛋白质存在的情况下，能够进行内含子的自我剪 接，形成成熟的rRNA，证明RNA分子具有催化功能，并 将其称为核酸酶,也有人称为核酶)。
1995年Cuenoud又发现某些DNA分子也具有催化功 能，改变了只有蛋白质才能有催化功能的传统观念， 也为先有核酸，后有蛋白质，提供了进化的证据。
但是已经发现，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Michaelis-Menten 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。