酶工程研究的主要内容

酶工程（enzyme engineering）是现代生物工程的主要内容之一，是随着酶学研究迅速发展，特别是酶的应用推广使酶学和工程学相互渗透结合、发展而成的一门新的技术科学，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的边缘科学技术。通常将酶的生产和应用的技术过程称为酶工程，它是从应用的目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用物质的技术，是生物工程的重要组成部分。

一般认为，酶工程的发展历史应从第二次世界大战后算起。从20世纪50年代开始，由微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。60年代后，固定化酶、固定化细胞崛起，使酶制剂的应用技术面貌一新。70年代后期以来，由于微生物学、遗传工程及细胞工程的发展，为酶工程进一步向纵深发展带来勃勃生机，从酶的制备方法、酶的应用范围到后处理工艺都受到巨大冲击。

根据研究和解决上述问题的手段不同把酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。前者是指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用，后者是以酶学和以基因重组技术为主、与现代分子生物学技术相结合的产物，主要包括三个方面：①用基因工程技术大量生产酶（克隆酶），即将酶基因和合适的调节信号通过载体（质粒）导入易于大量繁殖的微生物中并使之高效表达，通过发酵的方法大量生产所需要的酶。用于医药或工业上的尿激酶原、组织纤溶酶原激活剂、凝乳酶、a-淀粉酶、青霉素G酰化酶等都可用此法大量获得。②修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶），即酶的遗传修饰主要是由寡核苷酸指导的点突变。通过对酶基因的定点突变可以改变酶的性质（如酶活性、底物专一性、稳定性、对辅酶的依赖性等），从而得到具有新性状的酶。例如，将枯草杆菌蛋白酶的第99位门冬氨酸及第156位谷氨酸替换为赖氨酸后，使这个酶在pH为7时的活力提高了1倍，在pH为6时活力提高了10倍。利用有控制地对天然酶基因进行的剪切、修饰或突变，从而改变这些酶的催化特性、底物专一性或辅酶专一性，使之更加符合人们的需要。③设计新的酶基因，合成自然界不曾有的新酶。随着对酶结构与功能关系认识的深化，可人工设计并合成基因，通过蛋白质工程技术生产出自然界不存在的具有独特性质和重要作用的新酶。其他新酶如核酸酶、进化酶、杂合酶、抗体酶等。(www.xing528.com)

基因工程表达的酶制剂及应用，经分子改造与修饰的酶制剂的热潮已经出现。例如，1980年，wagner等报道，将大肠杆菌ACTTll 105的青霉素酰化酶基因克隆到质粒上，获得产酶活力更高的大肠杆菌5 K（PHM12）杂交株，并将此大肠杆菌杂交株固定，用于生产青霉素酰化酶，这是基因工程与酶工程相结合的第一例。1984年，瑞典Mosbach等曾用琼脂糖胶分别包埋杂交瘤细胞LSP21和淋巴细胞MLAt44生产单克隆抗体和白细胞介素，获得成功。抗体酶、核酶、人工酶及模拟酶除了在催化功能上与传统酶极其相似外，在来源和化学本质方面又各有特点，不同于传统酶。核酶虽然来源于生物体，但它的化学本质是RNA。抗体酶和生物酶工程生产的酶都是通过生物体产生的蛋白质属性酶，但它们的产生离不开人工的免疫过程、人为的基因克隆和寡核苷酸定点突变等技术。人工酶是具有催化功能的蛋白质或肽，但它的产生完全依赖人工的体外合成法。模拟酶和BLM都是非蛋白质的小分子物质，所不同的是模拟酶是人工合成的，BLM则是来源于生物体。在化学合成工业中，酶法生产将有重大贡献，模拟酶、酶的人工设计合成、抗体酶、杂交酶将成为活跃的研究领域。

在酶工程研究中，酶生物反应器、酶抑制剂和激活剂的研究也成为研究的重点，在酶活性的控制方面将会有较大突破，并在临床及工农业生产中发挥重要作用。非水系统酶反应技术（反向胶束中的酶促反应、有机溶剂中的酶反应）也仍将是研究热点之一。酶生物反应器往往可以提高催化效率、简化工艺，从而增加经济效益，结合固定化技术，业已发展成酶电极、酶膜反应器、免疫传感器及多酶反应器等新技术。这在化学分析、临床诊断与工业生产过程的监测方面成为很有价值的应用技术。酶抑制剂还可在代谢控制、生物农药、生物除草剂等方面发挥特殊作用，其低毒性备受欢迎。酶抑制剂的开发业已受到国际产业部门的日益重视。根据2015—2020年中国工业酶行业市场调查研究与发展前景分析报告，全世界发现的酶类有3000多种，而在工业上生产的有60多种，但真正工业化大规模生产的只有20余种。