酶工程的研究及其應(yīng)用進(jìn)展

于洋

長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

酶工程的研究及其應(yīng)用進(jìn)展

于洋

長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

酶工程是指對(duì)酶分子進(jìn)行研究和人為改造，以便了解、生產(chǎn)和利用酶。文章介紹了酶的分子生物學(xué)研究方法，以及酶工程在醫(yī)藥、環(huán)保和食品工業(yè)中的應(yīng)用。并展望了酶工程的發(fā)展前景。

酶工程；基因工程；應(yīng)用

酶工程是生物技術(shù)的重要組成部分。隨著當(dāng)今國(guó)際上對(duì)整個(gè)生物技術(shù)領(lǐng)域的重視，酶工程也到了發(fā)展的黃金時(shí)期。酶工程也在醫(yī)藥開(kāi)發(fā)、環(huán)保和食品等行業(yè)發(fā)揮著日益重要的作用。

1 酶工程研究技術(shù)

1.1 酶的分子改造

分子生物學(xué)技術(shù)將到酶工程帶入一個(gè)高速發(fā)展的階段【1】。在正常的生物細(xì)胞中，由于其內(nèi)在的活動(dòng)機(jī)制，酶產(chǎn)量的積累是十分有限的。基因工程可以通過(guò)對(duì)已知相關(guān)的酶進(jìn)行分析，定向的改變酶的性能。比如提高酶的產(chǎn)量、擴(kuò)大酶的適用范圍以及增強(qiáng)酶的活性等。目前國(guó)際上知名的工業(yè)酶制劑生產(chǎn)商，生產(chǎn)的酶制劑的菌株絕大部分都是由基因工程改造而來(lái)的。

基因工程雖然能夠定向改變酶的活性，但是由于基因工程改變的是酶的核酸序列，對(duì)酶的蛋白結(jié)構(gòu)改變有限，因此對(duì)酶的活性提高是有限的。不過(guò)隨著蛋白質(zhì)工程進(jìn)入酶學(xué)領(lǐng)域，與基因工程相輔相成的對(duì)酶進(jìn)行改造，提出了蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)的概念。首先根據(jù)基因工程分析酶的核酸初始序列，通過(guò)三維結(jié)構(gòu)建模分析反饋、調(diào)整和修改，最后通過(guò)質(zhì)譜儀等分析設(shè)備分析蛋白產(chǎn)物。雖然現(xiàn)在蛋白質(zhì)工程的研究還處于摸索階段，人們對(duì)于蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)折疊機(jī)理研究還不夠透徹，但是，這一新技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊和誘人。

除了基因工程定向改造和蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)方法以外，酶的分子改造還可以通過(guò)人工模擬來(lái)完成。將酶的催化活性中心和底物結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合起來(lái)組成簡(jiǎn)單的化合物，這類(lèi)化合物不含有氨基酸，所以能夠比天然酶更能適應(yīng)環(huán)境。固氮酶、過(guò)氧化氫酶等已經(jīng)通過(guò)此種方法合成。

2 酶工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用

得益于現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，酶工程在實(shí)際應(yīng)用方面也展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，比如設(shè)備投資小、產(chǎn)品效益大，能源消耗低、產(chǎn)品收率高，環(huán)境污染小等。對(duì)于一些以往利用化學(xué)合成或者發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品，特別是一些較難提取的胰島素類(lèi)似物，酶工程都能展現(xiàn)出巨大的潛能?，F(xiàn)代酶工程技術(shù)正在通過(guò)采取酶的人工改造、固定化酶等方法，推動(dòng)整個(gè)輕工業(yè)的巨大變革。

2.1 酶工程技術(shù)在醫(yī)藥開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

在開(kāi)發(fā)新藥方面，除了頭孢菌素Ⅳ、脫乙酰頭孢菌素以及各種氨基酸和有機(jī)酸等傳統(tǒng)酶工程藥物之外，近年來(lái)科學(xué)家通過(guò)黃青霉細(xì)菌固定化，用來(lái)生成頭孢菌素前體物和青霉素。核苷酸類(lèi)藥物中的腺嘌呤核苷酸可以通過(guò)熱水處理產(chǎn)蛋白假絲酵母菌體得到核酸，再經(jīng)過(guò)核酸酶的處理得到[2]。

在醫(yī)療研究方面，由于人體對(duì)外源性酶產(chǎn)生的免疫排斥反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致酶的穩(wěn)定性變差，難以達(dá)到病灶部位，因此酶工程領(lǐng)域中的固定化酶、紅細(xì)胞膜包備以及人工細(xì)胞等技術(shù)在臨床的治療中能起到很關(guān)鍵的作用。比如將酶固定在生物膜上組裝成生物反應(yīng)器，病人血液通過(guò)生物反應(yīng)器來(lái)消除致病因子，從而達(dá)到治療效果。苯丙酮尿癥可以間接導(dǎo)致兒童的智力障礙，將苯丙氨酸脫氨酶基因從植物中克隆到乳酸菌中，通過(guò)日常食用基因重組的乳酸菌在病患兒童的腸道中發(fā)揮治療功能。在傳感器方面，由于酶的高效性，可以用來(lái)為糖尿病患者的胰島素泵中安裝含酶的血糖傳感器，通過(guò)檢測(cè)血液中的血糖含量，及時(shí)調(diào)整胰島素的含量來(lái)達(dá)到治療目的。

2.2 酶工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

在當(dāng)前社會(huì)中，環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為了制約我國(guó)社會(huì)發(fā)展的重要因素。我國(guó)每年排放的廢水廢氣和固體廢棄物已經(jīng)超過(guò)一千億噸，由環(huán)境引發(fā)的經(jīng)濟(jì)和民生問(wèn)題成為社會(huì)發(fā)展的重要負(fù)擔(dān)。通過(guò)酶工程定向改造微生物產(chǎn)酶能在環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮重大作用。例如：脂酶可以分解在石油開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的油脂泄漏、還可以處理固體廢棄物中的含脂廢物。在食品企業(yè)的廢水處理中，可以選擇含有蛋白酶、幾丁質(zhì)酶、果膠酶和脂酶等相關(guān)的微生物；在造紙企業(yè)的廢水處理中，可以選擇含有木質(zhì)素酶、纖維素酶和漆酶等相關(guān)的微生物；在農(nóng)藥化肥企業(yè)的廢水處理中，可以選擇含有氰化酶、對(duì)硫磷水解酶和汞還原酶等相關(guān)的微生物。隨著國(guó)家政策的支持、國(guó)民環(huán)保意識(shí)的提高和人們科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在可以預(yù)期的未來(lái)，酶工程必然將在“三廢”處理問(wèn)題上發(fā)揮出巨大的作用。

2.3 酶工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

將酶作為食品添加劑，在食品烘烤、生產(chǎn)油脂和制糖工業(yè)中改善食品的風(fēng)味、顏色和品質(zhì)。在烘烤食品時(shí)候，α-淀粉酶可以將淀粉水解、降低面團(tuán)內(nèi)部的粘度，提高面團(tuán)的膨脹率，產(chǎn)生口味上的疏松感；在制作餅干、曲奇等弱面筋力時(shí)候，蛋白酶既可以降低面團(tuán)中的蛋白質(zhì)含量，又可以提高人體對(duì)食品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。在油脂生產(chǎn)過(guò)程中，一方面脂酶可以對(duì)乳酪類(lèi)物質(zhì)增香，另一方面也可以通過(guò)斷裂油脂中的脂鍵來(lái)提高油脂產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在制糖工業(yè)中，以玉米、小麥為原料，以葡糖異構(gòu)酶和淀粉酶為催化劑，能生產(chǎn)出類(lèi)似蜂蜜的食用混合糖漿。在肉類(lèi)產(chǎn)品加工過(guò)程中，植物性蛋白酶可以降低肉類(lèi)中的不溶性殘?jiān)?，改善肉產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組織，增加鮮度和延長(zhǎng)保鮮期。同樣，酶工程還可以應(yīng)用于生產(chǎn)果汁、果凍和果酒等果蔬制品。

由于酶反應(yīng)的條件溫和、特異性高、反應(yīng)速度快，還可以利用酶進(jìn)行食品檢測(cè)?，F(xiàn)代酶法分析包括食品組分的酶法測(cè)定、食品質(zhì)量的酶法評(píng)價(jià)和食品安全衛(wèi)生等方面[3]。酶法檢測(cè)既不需要復(fù)雜的原材料處理，又能夠高效、可靠的給出檢測(cè)報(bào)告。常用的酶法分析包括ELISA和終點(diǎn)滴定法等。

3 酶工程的發(fā)展前景

酶工程是生物技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。隨著當(dāng)今社會(huì)生物領(lǐng)域的高速發(fā)展，研究酶的分子機(jī)理和開(kāi)發(fā)新酶是酶工程發(fā)展的重要方向。在當(dāng)前酶工程的研究中，與人類(lèi)壽命有關(guān)的端粒酶和能夠顛覆傳統(tǒng)的雜交酶都是令人矚目的焦點(diǎn)。

如何讓酶的功能充分發(fā)揮、如何提高酶的催化效率和適用范圍一直是酶工程研究的重要課題。與此同時(shí)，利用新技術(shù)降低酶的使用價(jià)格以便推廣這項(xiàng)環(huán)保節(jié)能的新技術(shù)，也是酶工程研究要考慮的重要因素。隨著國(guó)家宏觀調(diào)控的實(shí)施，政府大力支持發(fā)展酶工程產(chǎn)業(yè)，人們對(duì)酶工程的認(rèn)識(shí)加深，都將對(duì)當(dāng)前酶工程的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

[1]居乃琥.2l世紀(jì)酶工程研究的新動(dòng)向[J].工業(yè)微生物,2001,31 (1)：37-45.

[2]陳紅霞.酶工程研究及應(yīng)用[J].化學(xué)工程師，2005（9）：29-32.

[3]虞淼，勵(lì)建榮.酶制劑在食品加工保鮮與檢測(cè)中的應(yīng)用[J].保鮮與加工，2006（3）：37-39.

于洋（1986—），男，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物工程系，2005級(jí)工學(xué)學(xué)士，生物工程專(zhuān)業(yè)