[生物学]第十章酶学和酶工程研究今后的方向、进展、热点问题

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。
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
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？
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。 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。
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。
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
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1055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． 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。
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Hale Waihona Puke Baidu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，
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
天然酶 人工合成酶． 高 低
空间时间产率
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 。 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，
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。
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．