1、王逸云,酶工程研究的新进展,题目背景,近年来，酶工程的基础研究和产业应用发展非常迅速，正在或即将改变人们的生活和生产方式。工业用酶日益广泛地应用于化学、医药、纺织、农业、日化、食品、能源、化妆品及环保等行业。由于蛋白质工程、基因工程和计算机信息等技术的发展，使酶工程技术得到了迅速发展和应用，各种新成果、新技术、新发明不断涌现。,酶工程研究的新进展,化学酶工程,生物酶工程,化学酶工程,自然酶的开发酶的化学修饰酶的固定化人工合成酶的研制,自然酶的开发,据估计自然界中存在有7000多种自然酶，目前已经发现和鉴定的约有3000余种，小批量生产的商品酶有几百种。大规模生产的有几十种。目前已应用于工业生产
2、的主要是：水解酶、凝乳酶、果胶酶、糖苷酶、氧化酶、转移及异构酶等。当前与生产密切相关酶的研究备受关注，主要有以下几个方面。,目前研究的热点是功能性低聚糖的开发，而在此领域内各种低聚糖水解生产酶的开发成为关键因素，如催化水解菊粉生产果糖的菊粉酶的研究备受关注。,由于纤维素类可再生资源的广阔利用前景而导致对纤维素酶、漆酶和木质素酶的大规模研究，已开发出了里氏木霉、白腐真菌等优良的产酶菌株。,药用酶、抗体酶和酶标药物的研究开发及新型的溶栓酶、艾滋病毒蛋白酶等的研究备受关注。另外位于真核细胞染色体末端由重复DNA序列和蛋白质组成的端粒与细胞的寿命和癌变有密切关系，端粒酶在端粒中起着重要的催化作用，有关
3、端粒的结构和端粒酶的催化机制的研究已经成为自然酶的研究热点之一。,有广阔应用前景，能水解植酸的磷酸酶类是此领域的研究热点，特别是植酸酶，其作为一种新型的动物饲料添加剂用酶制剂对提高饲料中磷的利用率和减小环境污染有着重大意义。最近的研究主要集中在高酶源、高热稳定性的菌株筛选方面。,自然酶的开发,目前，自然酶开发的宝藏是极端环境微生物和不可培养微生物。在极端环境下存在许多嗜极菌，具有特殊的生理功能。这些微生物的代谢过程和特殊的生物学功能是由极端条件下的酶和蛋白质的功能所决定的。从这些极端微生物中分离出来的酶显示了独特的特性，具有极高的耐热、耐酸、耐碱、耐盐、耐有机溶剂及耐表面活性剂性能，其催化性能
4、优于目前在工业生产中的各种酶，因此可将这些酶作为设计和构造工业上具有特性蛋白质模型而加以应用。,酶的化学修饰,酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物 质或基团结合到酶分子上，或将酶分子的某部分删 除或置换，改变酶的理化性质，最终达到改变酶的 催化性质的目的。随着基因工程、分子生物学、蛋 白质工程、有机合成等技术的发展，酶的大分子物 质化学修饰也发展起来，并且在修饰剂的选用和修 饰方法上有较大进展。酶的化学修饰主要方法有以 下几种。,酶的化学修饰方法,修饰酶的功能基团。如氨基、羟基、咪唑基等可离解基团。由此发展起来的酰化法、烷基化法、丹磺酰氯法等。,酶分子内或分子间交联。应用某些双功能试剂分子
5、两端的功能基团如醛基等可使酶分子内或分子间肽链的两个游离氨基分别发生交联，主要有右旋糖苷溴化氰法、羰二亚胺法、戊二醛法等。,酶的化学修饰方法,酶与高分子化合物结合。主要有聚乙烯醇法、聚顺丁烯二酸酐法等。酶与高分子化合物结合后，可以增加酶的稳定性。常用修饰剂主要有乙酸酐、氮芥类、磷氧酰氯、环氧丙烷、重氮盐类、羟胺等，其中连四硫酸钠和钾作为一种温和的氧化修饰剂，吸引了大量学者对连四硫酸盐类修饰剂的研究。,酶的化学修饰,化学合成和化工过程几乎都在有机溶剂中进 行，而有机溶剂往往被认为会引起酶的失活，但利 用化学修饰技术改造酶，就能催化有机相中的反 应。对此，人们展开了大量研究，已涉及到众多类 型的反
6、应。特别是在对映体选择降解、非对映体裂解和手性化合物的合成与拆分方面，化学修饰酶显示了巨大的威力。酶的有机合成在生产上的作用越来越突出，正成为酶工程领域内的一个热点。,酶的固定化,近年来，细胞固定化技术、固定化多酶技术及 反应器、固定化微生物多酶反应系统、固定化酶 微生物复合物等技术相继发展起来，而酶的固定化 是这一发展的基础。以往报道酶的固定化方法有几 百种，切实可行的主要吸附法、包埋法、交联法、 微胶囊法等。酶固定化的进展主要体现在以下几个 方面。,新载体如纤维素、淀粉、黄原胶、几丁质、海藻酸盐、壳聚糖、虾青素、琼酯糖、戊二醛、血纤维原、磁性高分子聚合物、离子交换树脂、水合氧化钛和膜等。,
7、酶固定化的进展,酶的固定化,另外由于酶固定化和微电子技术的结合与发 展，致使生物传感器的开发和应用异常活跃，已经 开发出葡萄糖氧化酶的葡萄糖传感器、脱氧核糖酶 生物传感器等用于科研和生产。在膜技术和固定化 技术发展的推动下，酶膜反应器的研究取得了较大 进展，超滤膜因其孔径小和截留能力高而成为研究 热点，尤其对具有高通透率、易清洗的非对称性超滤膜和无机膜的研究。,人工合成酶的研制,人工合成酶是指模拟酶的催化功能，用化学方 法合成的一类有机催化剂。由于天然酶微生物存在 分离、培养、保存、稳定性、固定化和回收利用等 技术经济问题，所以近年来大批学者开始研制和开 发人工合成酶型催化剂，现已有半合成法和
8、全合成 法问世。目前人工合成酶主要有以下几个研究热点。,人工合成酶的研究热点,固氮酶的模拟。人们从天然固氮酶由铁蛋白和铁钼蛋白两种组分组成分析，提出了多种固氮酶模型，由此进一步利用铁、铜、钴等过渡金属的络合物模拟过氧化氢酶等。,纤维素酶类的模拟。由于环境保护和能源 开发的要求，各种木质素酶、漆酶、半纤维素酶和纤维素酶模拟酶的研究已经成为一个热点，人们从其活性中心与配合物相似出发，利用单电子转移等原理对卟啉铁类、酞菁合铁类等配合物模拟酶已进行了研究。,人工合成酶的研究热点,大环化合物。冠醚及其衍生物、环番以及将与冠醚共价结合的“聚集”实体的模拟酶研究也是人工合成酶研究的新方向。,小分子配合物。如
9、最近出现的PZ51及二硒二苯基化合物、模拟含硒酶及SOD酶催化功能的配合物。,酶基因的克隆和表达酶的遗传修饰酶的遗传设计,生物酶工程,酶基因的克隆和表达,DNA重组技术的建立，大量DNA序列的测定以及各种蛋白质结构和功能关系数据的积累，使人们在很大程度上摆脱了对天然酶的依赖，较容易地克隆各种酶，并能使其在微生物中高效表达，然后通过发酵就能大量生产所需的酶。近年来酶基因克隆和表达中出现的基因沉默的现象、机制和其基因结构与功能关系的研究已引起了广泛的关注。,酶基因的克隆和表达,对各种酶基因克隆和表达，大部分是基于多聚 合酶链式反应技术、组织培养技术和蛋白质组学的 发展。目前PCR技术与其他技术相结
10、合的研究异常活跃，特别是其与差异表达基因克隆技术的结合，产生了一批高效酶基因克隆与表达技术。,酶的遗传修饰,酶的遗传修饰是指人为地将酶基因中个别核苷 酸加以修饰或置换，改变酶分子中某个或几个氨基 酸，使酶变得更有利于人类利用。酶遗传修饰的新进展主要体现在两个方面,CONTENTS,多位点定点突变技术 定点突变是蛋白质工程中采用的重要技术之一，但以往一般每次只能引入单点突变，突变效率较低，所以对多点突变技术的研究成为当前的研究热点。,酶定向进化技术 定点突变和非定点突变技术只能对酶蛋白中某些氨基酸残基进行改造，酶蛋白的高级结构基本维持不变，对酶功能的改造非常有限。如果通过多代遗传将突变积累起来，就可以较好地拓展酶的功能，这就是酶定向进化技术。,酶的遗传设计,酶的遗传设计是指设计绘制具有优良性状超自 然的新酶基因图案。在蛋白质化学、蛋白质晶体 学、酶动力学和分子遗传学等基础学科的发展下， 特别是酶的空间结构、结构与功能关系数据的不断 增多，大量生物的基因密码被破译，酶的遗传设计 即将成为现实。,Thank you!,
