酶工程的研究进展

酶工程的研究进展

摘要：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, 并利用各种方法使酶发挥其最大的催化功能。本文意在阐述近年来酶工程在分子水平的研究进展, 展示酶工程在医药、化工、食品、环境保护等领域的应用进展, 并对其未来前景进行了展望。

关键词：酶工程; 分子酶工程; 应用; 进展

1.分子酶的研究进展

分子酶工程学就是采用基因工程和蛋白质工程的方法和技术, 研究酶基因的克隆和表达、酶蛋白的结构与功能的关系以及对酶进行再设计和定向加工, 以发展更优良的新酶或新功能酶。

1.1 酶分子的定向改造和进化

分子酶工程设计可以采用定点突变和体外分子定向进化两种方式对天然酶分子进行改造。体外定向进化是近几年新兴的一种蛋白质改造策略, 可以在尚不知道蛋白质的空间结构, 或者根据现有的蛋白质结构知识尚不能进行有效的定点突变时, 借鉴实验室手段在体外模拟自然进化的过程(随机突变、重组和选择), 使基因发生大量变异, 并定向选择出所需性质或功能, 从而使几百万年的自然进化过程在短期内得以实现。此目前采用体外分子定向进化的方法来改造酶蛋白的研究越来越多, 并已在短短几年内取得了令人瞩目的成就, 易错PCR 和DNA 改组就是其中2 种方法。

1.2 融合蛋白与融合酶

蛋白质的结构常常可以允许某个结构域的插入与融合。DNA 重组技术的发展与应用使不同基因或基因片段的融合可以方便地进行,融合蛋白经合适的表达系统表达后, 即可获得由不同功能蛋白拼合在一起而形成的新型多功能蛋白。目前, 融合蛋白技术已被广泛应用于多功能工程酶的构建与研究中, 并已显现出较高的理论及应用价值。随着基因组、后基因组时代的到来和重组酶生产技术的开发, 必将会有大量的、新的酶蛋白被人类发现。

1.3 酶的人工模拟

模拟酶是根据酶作用原理, 用人工方法合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白质结构的化合物。它们一般都具高效和高适应性的特点, 在结构上比天然酶简单; 由于不含氨基酸, 其热稳定性与pH 稳定性都大大优于天然酶。目前用于构建模拟酶的模型有环糊精、冠醚、卟啉抗体酶和分子印迹等。

2.酶工程的应用进展

2.1 活性多肽的开发研究

近年来, 人们利用酶工程技术来开发功能性活性肽取得了很大的进展。生物活性肽是蛋白质中20 种天然氨基酸以不同排列组合方式构成的从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称, 是源于蛋白质的多功能化合物。活性肽具有多种人体代谢和生理调节功能, 易消化吸收, 有促进免疫、激素调节、抗菌、抗病毒、降血压、降血脂等作用, 且食用安全性极高。生物活性肽主要是通过化学法或酶法降解蛋白质而制得。其中,酶法降解蛋白质生产活性多肽安全性极高, 能在温和的条件下进行定位水解分裂产生特定的肽, 且水解过程易控制, 因而近几年报道的活性肽的制备方法皆为酶解法。目前已从酪蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、水产蛋白的酶解物中制得一系列功能各异的生物活性肽。

2.2 酶工程在医药方面的研究进展

( 1) 生产抗生素

应用酶工程可以制备6- APA[青霉素酰化酶]、7- ACA[头孢菌素酰化酶]、头孢菌素Ⅳ[头孢菌素酰化酶]、7- ADCAE[青霉素V 酰化酶]、脱乙酰头孢菌素[头孢菌素乙酸酯酶], 近年来还进行固定化产黄青霉细胞生产青霉素的研究, 合成青霉素和头孢菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方法。

( 2) 生产氨基酸和有机酸

生产尿酐酸、L- 酪氨酸及L- 多巴、L- 天冬氨酸、L- 苯丙氨酸、L-谷氨酸、L- 丝氨酸、L- 色氨酸、天冬酰胺、谷胱甘肽等有机酸。

( 3) 生产维生素

制造2- 酮基- L- 古龙糖酸[山梨糖脱氢酶及I- 山梨糖醛氧化酶]、肌醇[肌醇合成酶]、L- 肉毒碱EN 碱酯酶]、CoA[CoA 合成酶系]等。由山梨醇和葡萄糖生产维生素及丙烯酰胺的生产也采用酶工程的方法。

( 4) 生产核苷酸类药物

腺嘌呤核苷酸(AMP)由产蛋白假丝酵母菌体用热水提取核酸, 再经核酸酶水解制得。脱氧核苷酸由鱼白提取脱氧核糖核酸(DNA)后, 经5’- 磷酸二酯酶酶解制得。先由富含核酸的动植物(花粉等)提取核糖核酸(RNA), 再用5’- 磷酸二酯酶酶解为磷酸腺苷(AMP)、磷酸胞苷(CMP)、磷酸尿苷(UMP)及磷酸鸟苷(GMP)制得混合核苷酸。肌苷酸由腺苷脱氨酶制得。A TP 和AMP 分别由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙酸激酶制得。

2.3 在污染治理中的应用

(1)辣根过氧化物酶

辣根过氧化物酶是酶处理废水领域中应用最多的一种酶。有过氧化氢存在时, 它能催化氧化多种有毒的芳香族化合物, 其中包括酚、苯胺、联苯胺及其相关的异构体, 反应产物是不溶于水的沉淀物。

(2)木质素过氧化物酶

木质素过氧化物酶, 也叫木质素酶, 是Phanerochaetechrysosporium 白腐真菌细胞酶系统的一部分。它可以处理很多难降解的芳香族化合物和氧化多种多环芳烃、酚类物质。

(3)漆酶

漆酶由一些真菌产生, 通过聚合反应去除有毒酚类。而且, 由于它的非选择性, 能同时减少多种酚类的含量。漆酶的去毒功能与被处理的特定物质、酶的来源及一些环境有关。

(4)氰化物酶

氰化物酶氰化物酶能把氰化物转变为氨和甲酸盐, 因此是一步反应历程。一种革兰氏阴性菌, 可产生氰化物酶, 该酶有很强的亲合力和稳定性, 且能处理的氰化物质量浓度低于0.02mg/L。

(5)蛋白酶

蛋白酶是一类水解酶, 在鱼、肉加工工业废水处理中得到了广泛应用。蛋白酶能使废水中的蛋白质水解, 得到可回收的溶液或有营养价值的饲料。

(6)微生物脂酶

脂酶应用于被污染环境的生物修复以及废物处理是一个新兴的领域。石油开采和炼制过程中产生的油泄漏, 脂加工过程中产生的含脂废物, 都可以用不同来源的脂酶进行有效处理。一项日本专利报道了直接在废水中培养亲脂微生物来处理废水。脂酶在生物修复受污染环境中获得了广泛的应用。

3.酶工程的发展前景

随着酶工程的发展, 目前已知的酶已不能满足人们的需要, 研究和开发新酶已成为酶工程发展的前沿课题。新酶的研究与开发, 除采用常用技术外, 还可借助基因组学和蛋白质组学的最新知识, 借助DNA 重排和细胞、噬菌体表面展示技术。目前最令人瞩目的新酶有核酸类酶、抗体酶和端粒酶等。酶在医药、食品、轻工、化工和环保等领域应用广泛。充分发挥酶的催化功能、扩大酶的应用范围、提高酶的应用效率是酶工程应用研究的主要目标。要实现酶的高效应用, 除了掌握酶反应动力学特性这一前提条件以外, 还必须采用新的固定化、分子修饰和非水相催化等技术。

目前酶的价格仍较高, 故它不适于处理高浓度污染物, 而适于处理低浓度、高毒性污染物。酶处理有着广阔的应用前景。酶反应副产物的特征和稳定化、反应残余物的处理、处理费用问题必须深入研究

参考文献

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