酶工程在医药上的应用

酶工程在医药上的应用

朱祺琪社科1003班3100104077

【摘要】本文为读书报告，从酶工程制药的工艺和工程化技术方面，以及酶工程在医药上的应用及对未来的展望对酶工程的一个方面进行概述。

【关键词】酶工程酶的固定化酶法手性合成技术非水相酶催化

【引言】酶，它作为一种生物催化剂，已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外，还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中，利用酶清除血液废物，防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外，酶作为临床体外检测试剂，可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物，也将是酶在医疗上一个重要的应用。

【正文】

一、酶工程制药的工艺和工程化技术

1）酶的固定化技术

在４０多年以前，几乎所有的工业化生产中采用的生物催化剂都是用全细胞或组织来进行的。作为生物催化剂的微生物细胞种类繁多，并带动了目前发酵工业的迅速发展。但由于正常发酵过程中的微生物生长和繁殖都需要消耗培养基中的营养物质并产生不必要的副产物，因而导致目的产物必须经过分离步骤才能从最终产物的混合物中分离出来，因此使用微生物细胞进行催化并不是十分有效的方法。

酶的固定化最早在１９１６年由Ｎｅｌｓｏｎ和Ｇｒｉｆｆｉｎ在研究酵母蔗糖酶时提出，他们发现蔗糖酶被吸附在活性炭上后仍然有活性。在２０世纪６０年代，羧肽酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶相继被固定化成功，从而使得固定化酶在制药工业中的应用受到越来越大的重视。１９６９年千烟一郎固定化氨基酰化酶工业化生产Ｌ 氨基酸；随后青霉素酰化酶固定化生产。氨基青霉烷酸获得成功。近十几年来，随着工业分离纯化技术的发展和应用，使得工业规模获得酶成为可能，离体酶在制药工业中应用在逐渐增加。其最明显的优势在于具有更有效的底物转化率、更高的投料量和产量以及更好的产物均一性。但这些优点极有可能被酶纯化所增加的成本和纯化过程中酶的失活所抵消掉，造成对酶应用的限制。许多科学家已经开始研究如何去克服这些困难，其中大批量进行酶纯化能够在一定程度上减低成本，但更有效的方法当属固定化酶的方法，这种方法使得酶在使用过程中稳定性提高，可重复使用，降低了生产成本。

2）酶法手性合成技术

近来，小分子与生物大分子间的相互作用引起了人们很大的关注。对于选择性酶抑制剂和受体激动剂或拮抗剂的研究是药用工业中靶目标定位研究的关键之一。在分子水平上对药物作用机制的深入了解引起了人们的广泛注意，意识到手性作为许多药物功效之关键的重要性。现在人们已经知道在许多情况下，药物中仅有一种对映体对功效是必需的，其他对映体或者无活性，或者活性下降，甚至产生毒害。现在制药企业已经意识到，新药的开发必须是单手性的，以此来避免由不需要的对映体引起的不必要的副作用。许多情况下，一旦由消旋体药物向对映体纯化合物的转化成为可能时，就是发展工业化过程的良机。与消旋化合物相比较，单一对映体的优势体现在制备过程和配方上。

手性药物中间体可通过不同途径制备。一个方法是从天然的手性化合物开始，这种手性化合物主要是由发酵过程产生。手性库主要用到廉价的，使用方便的，有旋光性的天然产物。第二种方法是通过拆分消旋化合物实现的，该方法是主要是通过对映体或非对映体结晶性质上的差异以及通过化学或生物催化的方法有效拆分消旋化合物来完成的。最后，也可以用微生物细胞或其代谢产物酶，

通过化学或生物催化过程，不对称合成手性化合物。同化学反应相比，微生物或酶催化反应的优势就在于它们有立体选择性，并且可以在常温、常压下进行反应。生物催化方法将化学过程中可能出现的异构化、“消旋作用”、差向异构化及结构重排这些不利反应减到最低。一般生物催化过程在水溶液中进行。

这种方法将避免给环境中增加有害化学物质，这些化学物一般由化学过程及随后的处理废弃物产生。此外，微生物细胞或代谢产物酶可被固定化，并重复应用于多个循环。

3）酶工程制药中的非水相酶催化技术

从１９世纪末到２０世纪８０年代的几十年时间里，人们关注的焦点是酶在有机溶剂中结构和功能的关系。在这些研究过程中科学家们发现了非水相中酶催化技术在多肽合成、药物合成及立体异构体拆分等方面的巨大应用潜力。因此进入２０世纪９０年代后，人们把更多的目光投向了非水相酶催化技术的应用研究，它是推动这一领域发展的直接动力。非水相酶催化技术所要解决的主要问题是确定酶应用时的操作条件、工艺流程、稳定性等。

二、酶工程制药的应用

酶工程制药的应用除了治疗用酶外，另一个发展较快，应用面较广的领域是酶作为生物催化剂在传统化学合成制药中的应用。这些应用主要集中在降血压药物和降血脂药物或其中间体、半合成抗生素、转化甾体、合成氨基酸等。

1、应用酶工程生产抗生素

应用酶工程可以制备青霉素酞化酶、头抱菌素酞化酶、头抱菌素、头抱菌素酞化酶、青霉素酞化酶、脱乙酸头抱菌素、头抱菌素乙酸醋酶,近年来还进行稳定化产黄青霉青霉素合成酶系细胞生产青霉素的钻研,合成青霉索和头抱菌素前体物的最新工艺也接纳酶工程的要领。

2、应用酶工程生产维生素

制造2一酮基一L—古龙糖酸【山梨糖脱氢酶及L一山梨糖醛氧化酶】、肌醇【肌醇合成酶】、L—肉毒碱【胆碱脂酶】、CoA【CoA合成酶系】等。由山梨醇和葡萄糖生产维生素及丙烯酸胺的生产也接纳酶工程的要领。

三、酶工程制药的展望

尽管酶在制药工业中的应用已经引起研究者的关注，并在这方面作了许多的工作，但是由于天然酶，受来源和酶活力的限制，影响了其在实际中的应用。随着基因和蛋白质工程技术的成熟与发展，给这一领域注入了新的更大的活力。一方面，通过基因克隆表达可以大幅度提高酶的产量；另一方面可以通过蛋白质定点突变技术，对酶进行结构优化，扩大酶的应用范围，有可能引起该领域质的飞跃。在酶法手性转化中，产物有Ｓ型和Ｒ型之分，这主要取决于各种酮基还原酶的性质和转化底物，不同来源的酮基还原酶其性质各异。目前，通过蛋白质工程改造，找出可能的催化位点，以提高转化的效率和扩大其底物范围尚有很大的困难和盲目性。在酶反应器的设计方面除能强化酶的转化效率外，还应提高其可操作性，从而使更多的酶应用于制药工业生产中。

当制药公司谈到的多种药物研发方式时，如基于结构的药物合理设计、基于受体的药物设计、酶抑制剂、先进的化合物筛选和小分子研究，他们谈论的一般就是指手性药物。因为绝大多数药物都是有机化合物，物理的研究过程完成后，研究的精力总是转向有机化学合成，这也是手性技术发挥作用的舞台。目前，正处于研发阶段的药物中，有高达７０％是手性结构。而现有手性药物中也已经有１０％是用生物催化技术进行生产。药物作用的专一性随分子结构复杂程度的增加而提高。对药物专一性的追求会促使研发更多的手性药物，将来设计和生产的药物都将是单对映体的。随着手性药物的重要性越来越明显，生物催化和生物转化的发展速度会超过其他药物合成方法。随着药物分子中手性中心数目的增加，生物催化和生物转化的医药甚至会超过其他立体选择性合成方法。生物催化在药物合成中的应用还受消费者对新药的需求，制药工业降低成本、提高利润的要求，政府管理机构的压力以及新科学技术的推动。

现代药物活性化合物的生产往往需要１０多个合成步骤。一般认为，不对称有机合成只适于单手性中心化合物的合成，而利用生物催化更易于合成多手性中心