酶工程的研究报告进展及前景展望

酶工程的研究进展及前景展望

摘要：概述了21 世纪国际上酶工程研究的新进展和新趋势。本文意在阐述近年来酶工程在分子水平的研究进展,并对其未来前景进行了展望。简单介绍了酶工程研究的进展, 对酶工程的发展前景进行了探讨。介绍了酶工程的应用现状，并对酶工程的作用和发展做出了展望。

关键词: 酶工程; 抗体酶；酶的固定化；开发研究; 进展；

Abstract:An overview of the enzyme engineering in the 21st century international research progress and new trends. This paper aims to elaborate in recent years, progress in enzyme engineering research at the molecular level, and its future prospects. Briefly introduced the progress of the study of enzyme engineering, discussed the prospects for the development of enzyme engineering. Introduced the application status of the enzyme works , and the role and development of enzyme engineering to make the outlook.

Keywords:Enzyme Engineering; Antibody enzyme; Immobilization;Research and development;Progress

1 前言

跨入21 世纪,人们在20 世纪认识生命本质高度一致性的基础上,迎来了后基因组时代,将有可能从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构- 功能机理的角度,进一步阐明生命现象的核心和本质, 并系统整合生物学的全部知识,建立起真正的统一的普通生物学(general biology)。而生物技术将为解决人类所面临的食品和营养、健康和长寿、资源和能源、环境保护和生态平衡,以及可持续发展等重大问题,发挥无可替代的作用, 为人类作出更大的贡献。

酶工程是生物技术的一个重要组成部分, 指在一定的生物反应器, 利用酶

的催化作用, 进行物质转化的技术。其应用围已遍及工业、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面。与此同时,酶工程产业的发展非常迅速。1998年全世界工业酶制剂销售额高达16亿美元。预计到2008年,销售额将达到30亿美元。

近年来,美国、欧洲共同体和日本,在酶工程研究和酶工程产业面发展非常迅速,继续居于领先地位。本文拟就21世纪国际酶工程研究领域的若干“热点”和前沿课题, 对21世纪酶工程研究的发展动向作一概述[1]。

2 酶的分离和提纯

酶的分离和提纯是酶生产的一个关键问题，也是酶工程的一项中心环节，它不仅影响酶的产率、酶的活性，而且还直接影响到其它技术的发挥，如固定化技术、酶的使用稳定性和稳定化、酶的保存等。从微生物、动植物细胞中得到含有多种酶的提取液后，为了从提取液中获得所需要的某一种酶，必须将提取液中的其它物质分离，这就是酶的分离纯化。经过分离纯化后得到的酶，活性不能降低，因此，分离纯化必须在适宜的条件下进行。可选择各种沉淀法、离心法、膜分离法、柱层析法、双水相系统萃取法等分离纯化酶[2]。

3 酶工程研究进展

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, 并利用各种法使酶发挥其最大的催化功能[3]。本文将二十多年来围绕酶工程的主要任务进行了一系列的阐述,现将主要研究成果介绍如下：

3.1 酶的生物合成及其调节控制研究

所有生物体在一定的条件下都能合成多种多样的酶。酶的生物合成受细胞外

多因素的影响。研究酶的生物合成及其调节控制,对指导酶的生产以及阐明某些抗生素和药物的作用机制有重要意义。1980年郭勇等人[4]研究了二环素对大肠杆菌中碱性磷酸酶生物合成、B_半乳糖苷酶诱导合成和其他蛋白质生物合成的影响。发现BCM 能明显阻遏碱性磷酸酶的合成和B_半乳糖苷酶的诱导合成,同时却诱导产生一种47K蛋白。这一结果阐明了二环素杀菌作用的主要原因。1982年,研究了枯草杆菌碱性磷酸酶的生物合成及其调节[5]。发现枯草杆菌AS1.398 细胞在无机磷酸含量受到限制的培养基中生长时,若培养基中的无机磷酸含量降到0.01 mmol/ L以下,枯草杆菌细胞将迅速合成碱性磷酸酶;在碱性磷酸酶生物合

成的高峰期, 添加1.0 mmol/ L的磷酸盐,该酶的合成完全被阻遏;枯草杆菌碱性磷酸酶的生物合成不受其作用底物的诱导,也不受分解代物的阻遏。可见,控制培养基中磷的含量是加速枯草杆菌碱性磷酸酶的合成和提高酶产率的主要措施。此外,我们还对菊糖酶、纳豆激酶、超氧化物歧化酶等的生物合成及其调控进行了研究[6～7]。

3.2 酶、细胞和原生质体固定化研究

1985 年开始, 郭勇等人承担了自然科学基金(高技术)项目、科委重点项目、“七·五”攻关项目和省重点项目等多个科研项目,从固定化载体、固定化法、固定化条件、固定化酶生产药物、固定化细胞生产胞外酶和固定化原生质体生产胞酶等面对酶、细胞和原生质体固定化技术进行了系统研究.固定化细胞生产A_淀粉酶、糖化酶和果胶酶的研究结果[8]表明,固定化细胞生产胞外酶具有稳定性好、酶产率高、可以反复多次使用和可连续生产等显著特点, 有利于胞外酶生产技术的发展。1988年,“固定化微生物细胞发酵生产胞外酶”获省生物技术专项奖一等奖,”光交联树脂固定化细胞生产A_淀粉酶和糖化酶研究”获省生物技术专项

奖二等奖。1989年, 郭勇赴美国爱达荷大学进行合作研究,圆满完成了固定化细胞生产A_淀粉酶的动力学研究。

4 酶的定向固定化技术

固定化酶技术的发展使酶工程效率更高、成本更低,产品更加丰富多彩,固定化酶在工业、临床、分析和环境保护等面有着广泛的应用。但是,在大多数情况下, 酶固定化以后活性部分失去, 甚至全部失去。一般认为,酶活性的失去是由于酶蛋白通过几种氨基酸残基在固定化载体上的附着( attachment)造成的。这些氨基酸残基主要有:赖氨酸的E- 氨基和N- 末端氨基,半胱氨酸的巯基,天门冬氨酸和谷氨酸的羧基和C- 末端氨基,酪氨酸的苯甲基以及组氨酸的咪唑基,由于酶蛋白多点附着在载体上,引起了固定化酶蛋白无序的定向和结构变形的增加。

近来,国外的研究者们在探索酶蛋白的固定化技术面,已经寻找到几条不同途径,使酶蛋白能够以有序式附着在载体的表面,实现酶的定向固定化,而使酶活性的损失降低到最小程度。目前,文献中涉及的定向固定化法有如下几种[9]: (1)借助化学法的位点专一性固定化;(2) 磷蛋白的位点专一性固定化;(3) 糖蛋白的位点专一性固定化;(4)抗体(免疫球蛋白)的位点专一性固定化;(5)利用基因工程的位点专一性固定化。这种有序的、定向固定化技术已经用于生物芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白质结构和功能的研究。

这种定向固定化技术具有以下一些优点:(1) 一个酶蛋白分子通过其一个特定的位点以可重复的式进行固定化;(2)蛋白质的定向固定化技术有利于进一步研究蛋白质结构;(3)这种固定化技术可以借助一个与酶蛋白的酶活性无关或影响很小的氨基酸来实现。