酶的来源与生产方法-《生物技术与工程概论》

酶作为生物催化剂普遍存在于动物、植物和微生物细胞中。早期酶的生产多以动植物为主要来源，直接从生物体组织经过分离、纯化而获得，但必须首先获得含酶组织或细胞，而且生产周期长、来源有限，并受地理、气候和季节等因素的影响，同时，还要受到技术、经济及伦理等各方面的限制。因此，随着酶制剂应用范围日益扩大，单纯依赖于动植物来源的酶已经不能满足需要，使得许多传统的酶来源已经远远不能适应当今世界对酶的需求。所以，20世纪50年代以后，随着发酵法的发展，许多酶的生产都采用微生物发酵法。然而，在动植物资源丰富的地区，从动植物组织细胞中提取所需的酶，仍有其使用价值。例如，从动物的胰脏中提取胰蛋白酶（trypsin）、胰淀粉酶、胰脂肪酶或这些酶的混合物——胰酶（pancreatin）；从动物小肠中提取碱性磷酸酶（alkaline phosphatase）；从木瓜中提取木瓜蛋白酶（papain）；从菠萝皮中提取菠萝蛋白酶（bromelin）；从柠檬酸发酵的废菌体——黑曲霉菌体中提取果胶酶（pectinase）；从颌下腺中提取激肽释放酶等。

理论上，酶和其他蛋白质一样，也可以通过化学合成法来生产，20世纪60年代中期出现了酶的化学合成新技术。1964年，我国科学家率先从氨基酸出发，以化学法全合成了具有生物活性的牛胰岛素，开辟了蛋白质化学合成的新纪元。1969年，美国Gutte和Merrifield也通过化学方法，首次得到含有124个氨基酸的核糖核酸酶（ribonuclease），并发展了一整套固相合成多肽链的自动化技术，极大地加快了合成速度。现在已可用肽合成仪来进行酶的化学合成。然而，由于酶的化学合成要求作为单体底物的各种氨基酸达到很高的纯度，合成的成本高昂，而且只能合成那些已清楚其化学结构的酶。就经济和技术等角度而言，化学合成的反应步骤多，还受到试剂、设备和成本等多种因素的限制，一般只适用于短肽的生产，合成氨基酸残基数目高的酶蛋白还很困难。

自然界中广泛存在着各种各样的微生物，这些微生物具备分泌某种酶的能力。目前，工业上酶的生产一般是以微生物通过液体深层发酵（liquid submerged fermentation）或固态发酵进行生产。根据微生物发酵的方式不同，发酵法可分为固体发酵、液体深层发酵、固定化细胞发酵和固定化原生质体发酵等。20世纪80年代以来，还发展了用动植物细胞发酵产酶，但目前使用的商品酶制剂中，大多数是利用微生物发酵法生产的。利用微生物生产酶制剂的突出优点是：①微生物种类繁多，制备出的酶种类齐全，几乎所有的酶都能从微生物中得到；②微生物繁殖快、生产周期短、培养简便，并可以通过控制培养条件来提高酶的产量；③微生物具有较强的适应性和应变能力，可以通过适应、诱导、诱变及基因工程等方法培育出新的高产酶的菌株。微生物细胞产生的酶可以分为两类：结构酶和诱导酶。结构酶在细胞的生长过程中出于其自身需要就会表达，而诱导酶则需要加入相应的诱导剂后才会表达，诱导剂一般是该酶催化反应的底物或产物。一般情况下，细胞所表达的酶量受到细胞的调节和控制，合成的酶量是有限的，主要是满足细胞本身生长和代谢的需要。当酶成为最终目标产物时，野生型微生物就无法满足酶制剂生产的需要，因此，工业酶制剂生产中，所有微生物菌种都是通过遗传改造的高产酶菌株。常规的利用物理或化学诱变育种方法都可以用于产酶高产菌株的选育，并为酶制剂工业的建立和发展做出了重要贡献。(www.xing528.com)

近年来，随着基因重组技术的发展和微生物基因组学的研究进展，学术界和工业界已经越来越多地采用基因工程的方法构建高效产酶菌株，并已经用于大规模工业化生产。一些更加高效的新方法，如DNA重排（DNA shuffling）及基因组重排（genome shuffling）等也已经开始用于高产菌株的选育中。