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1、Enzyme Engineering 酶工程酶工程生物技术生物技术医药生物技术医药生物技术农业生物技术农业生物技术工业生物技术工业生物技术环境生物技术环境生物技术材料生物技术材料生物技术 .用生物或生物分子机器生产产品和解决问题用生物或生物分子机器生产产品和解决问题生物技术的具体应用生物技术的具体应用生物催化生物催化生物技术产业化的三个浪潮 医药生物技术（医药生物技术（red biotechnologyred biotechnology）:19821982年重组人胰岛年重组人胰岛素素上市，上市基因工程药品上市，上市基因工程药品5.45.4亿亿-982-982亿美亿美元元/1987-2011/1
2、987-2011 农业生物技术农业生物技术(green biotechnology):(green biotechnology):19961996年转基因大豆、玉米、油菜相继上市年转基因大豆、玉米、油菜相继上市 工业生物技术工业生物技术(white biotechnology):(white biotechnology):世纪之交聚乳酸、聚交酯、生物钢相继上市世纪之交聚乳酸、聚交酯、生物钢相继上市(生物质材料生物质材料)工业生物技术含意：在含意：在工业规模工业规模的生产过程中的生产过程中使用或部使用或部分使用生物技术分使用生物技术来实现产品的制造，这种来实现产品的制造，这种技术是技术是应用微生
3、物和生物催化剂应用微生物和生物催化剂来提供产来提供产品和服务品和服务工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术工业生物技术工业生物技术-迈向发达国家之战略迈向发达国家之战略生物催化生物催化化学工业化学工业发酵工业发酵工业轻工业轻工业采矿采矿医药医药食品食品能源能源材料材料生物安全生物安全环境环境生物催化生物催化是工业生物技术的核心技术是工业生物技术的核心技术生物催化（Biocatalysis)利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程生物催化技术具有的特点生物催化技术具有的特点过程高效过程高效（物耗低，原子经济性高）（物耗低，原子经济
4、性高）反应温和反应温和（能耗低）（能耗低）环境友好环境友好（污染小）（污染小）是是绿色化学绿色化学与与绿色化工绿色化工发展的重要趋势之一发展的重要趋势之一以生物催化法合成的主要产品 产品名称产品名称产量产量丙烯酰胺丙烯酰胺1010万吨万吨/年年聚乳酸聚乳酸1.31.3万吨万吨/年年阿斯巴甜阿斯巴甜2 2万吨万吨/年年生物柴油与汽油生物柴油与汽油10001000万吨万吨/年年抗菌素中间体抗菌素中间体6 6APAAPA氨苄青霉烷酸氨苄青霉烷酸0.90.9万吨万吨/年年生物技术在全球精细化学工业的份额：生物技术在全球精细化学工业的份额：15-60/2008-2010年年 生物催化发展的主要推动力新产
5、品需求新产品需求 (社会压力社会压力)-健康：医药、检测健康：医药、检测-日用品：洗涤用品、乳品、生物可降解塑料日用品：洗涤用品、乳品、生物可降解塑料环境环境 (法律法规压力法律法规压力)绿色化学、能源、温室效应绿色化学、能源、温室效应得益得益/成本降低成本降低 (商业压力商业压力)-生物分离生物分离新发现或基础研究新发现或基础研究 (技术压力）技术压力）基因工程基因工程 /定点突变定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学定向进化、代谢工程、组合化学将传统的生产模式彻底加以变革，构建新一代的工业生物技术将传统的生产模式彻底加以变革，构建新一代的工业生物技术目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标并
6、且目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标并且已成为一些公司谋求发展和提升地位的工具已成为一些公司谋求发展和提升地位的工具。Degussa、DSM、BASF、Dow、Lonza等许等许多跨国公司都在积极采取措施，扩大他们在生物多跨国公司都在积极采取措施，扩大他们在生物催化领域里的生产能力催化领域里的生产能力。在中国，国家重点基础研究计划（在中国，国家重点基础研究计划（973计划）将计划）将生物催化项目立项；国家高科技研究计划（生物催化项目立项；国家高科技研究计划（863计划）中增列工业生物技术专题。目前我国的谷计划）中增列工业生物技术专题。目前我国的谷氨酸和柠檬酸产量为世界第一。氨酸和柠檬酸产量
7、为世界第一。2020年，年，50的有机化学品和材料来自的有机化学品和材料来自生物质材料生物质材料生物催化生物催化酶酶工工程程 第一节第一节绪论绪论第二节第二节酶的发酵生产酶的发酵生产第三节第三节酶的分离纯化酶的分离纯化第四节第四节酶的应用酶的应用第一节第一节绪绪论论酶工程概述酶工程概述国内外酶制剂工业概况国内外酶制剂工业概况酶的生产方法酶的生产方法酶工程概述酶工程概述酶学研究简史酶学研究简史1878德国的德国的Kuhne定义定义Enzyme原意为在酵母中原意为在酵母中1926美国的美国的Sumner从刀豆中得到脲酶结晶（从刀豆中得到脲酶结晶（1947年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1970美国的美国的
8、Smith发现限制性内切酶（发现限制性内切酶（1979年诺年诺贝尔奖）贝尔奖）1969日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成功地应用于工业生产功地应用于工业生产。酶工程诞生酶工程诞生1986美国美国核酶发现获得诺贝尔奖核酶发现获得诺贝尔奖 现代酶学研究主要沿着两个方向发展现代酶学研究主要沿着两个方向发展（1）酶的分子生物学方向：）酶的分子生物学方向：其主要任务是要从其主要任务是要从分子水平分子水平上更上更深入揭示酶结构与功能的关系；酶催化机制和调节深入揭示酶结构与功能的关系；酶催化机制和调节机制机制；酶与生命活动的关系等理论问题，进一步设计酶、；酶与生
9、命活动的关系等理论问题，进一步设计酶、改造酶、在基因水平上进行酶的调节控制。改造酶、在基因水平上进行酶的调节控制。（2）酶工程方向：）酶工程方向：其主要任务是研究如何其主要任务是研究如何经济有效地进经济有效地进行酶的生产、制备、应用，行酶的生产、制备、应用，将基因工程、以及分子生物将基因工程、以及分子生物学的最新研究成果用于酶的生产，进一步开发固定化酶学的最新研究成果用于酶的生产，进一步开发固定化酶技术与酶反应器等。技术与酶反应器等。现代酶学研究发展的方向现代酶学研究发展的方向一、酶工程的概念一、酶工程的概念 酶酶工工程程就就是是利利用用酶酶催催化化作作用用，通通过过适适当当的的反反应应器器，
10、工工业业化化地地生生产产人人类类所所需需要要的的产产品品或或是是达达到到某一特殊的目的。某一特殊的目的。它它是是以以现现代代酶酶学学、现现代代生生物物学学（包包括括生生物物化化学学、微微生生物物学学、遗遗传传学学及及分分子子生生物物学学等等）的的理理论论知知识识为为基基础础，结结合合化化学学工工程程、生生物物技技术术、电电子子计计算机等形成的一项高新技术。算机等形成的一项高新技术。它包括酶的它包括酶的生产、制备与应用生产、制备与应用三个部分三个部分二、酶工程的二、酶工程的种类种类 根据研究和解决问题的手段不同，分为两类：根据研究和解决问题的手段不同，分为两类：1.化学酶工程化学酶工程又又为为初
11、初级级酶酶工工程程，是是酶酶学学理理论论与与化化学学工工程程技技术术相结合的产物。相结合的产物。化学酶工程研究的主要内容：化学酶工程研究的主要内容：（1）酶的制备工艺）酶的制备工艺（2）酶和细胞的固定化技术）酶和细胞的固定化技术（3）酶分子化学修饰）酶分子化学修饰（4）人工酶的合成）人工酶的合成（5）酶反应器、酶传感器）酶反应器、酶传感器（6）酶的应用等。）酶的应用等。2.生物酶工程生物酶工程是是在在化化学学酶酶工工程程基基础础上上发发展展起起来来的的，以以酶酶学学理理论论和和以以DNA重重组组技技术术为为主主的的现现代代分分子子生生物物学学技技术术相相结结合合的的产产物物，又又称称为为高高级
12、级酶酶工工程程（advancedenzymeengineering）。）。生物酶工程研生物酶工程研究的主要内容：究的主要内容：（1）克隆酶的生产（酶基因的克隆表达）克隆酶的生产（酶基因的克隆表达）（2）突变酶的生产（酶的遗传修饰）突变酶的生产（酶的遗传修饰）（3）新酶的生产（酶的遗传设计）新酶的生产（酶的遗传设计）酶的生产是指经过预先设计，通过人工操作酶的生产是指经过预先设计，通过人工操作控制而获得所需的酶的过程。控制而获得所需的酶的过程。酶的生产方法可分为酶的生产方法可分为提取法、发酵法和化学合成法。提取法、发酵法和化学合成法。酶的生产方法酶的生产方法含义含义：采用各种提取、分离技术从动物、
13、植物采用各种提取、分离技术从动物、植物或微生物细胞或组织中将酶提取分离出来。或微生物细胞或组织中将酶提取分离出来。如：如：从动物胰脏中提取胰蛋白酶；从动物胃中提从动物胰脏中提取胰蛋白酶；从动物胃中提取胃蛋白酶；从木瓜中提取木瓜蛋白酶等取胃蛋白酶；从木瓜中提取木瓜蛋白酶等特点特点：该法直接、简便易行该法直接、简便易行，尤其适合动、植物资源，尤其适合动、植物资源丰富的地区。但动植物生长周期长，易受气候、丰富的地区。但动植物生长周期长，易受气候、地理环境的影响，地理环境的影响，不适于大规模工业化生产。不适于大规模工业化生产。且产品杂质较多，分离纯化困难。且产品杂质较多，分离纯化困难。一、一、提取法提
14、取法含义：含义：利用细胞，主要是利用细胞，主要是微生物细胞微生物细胞的生命活动而获得的生命活动而获得所需要的酶的方法。所需要的酶的方法。如：用桔青霉发酵生产磷酸二酯酶；黑曲霉发酵生产淀如：用桔青霉发酵生产磷酸二酯酶；黑曲霉发酵生产淀粉酶；链霉菌发酵生产葡萄糖异构酶等。粉酶；链霉菌发酵生产葡萄糖异构酶等。特点：特点：微生物种类多，酶品种齐全微生物种类多，酶品种齐全 繁殖快，生长周期短繁殖快，生长周期短 培养简便，提高酶产量。培养简便，提高酶产量。易于基因突变易于基因突变二、二、发酵法发酵法含义：含义：根据酶的一级结构，以氨基酸单体为底根据酶的一级结构，以氨基酸单体为底物，用化学的手段合成一个酶。
15、物，用化学的手段合成一个酶。如：如：19691969年，美国首次用化学合成法得到核糖年，美国首次用化学合成法得到核糖核酸酶核酸酶特点：特点：合成成本高，难度大合成成本高，难度大。三、三、化学合成法化学合成法酶的生产方法酶的生产方法 自自2020世纪中叶以来，工业用酶制剂的市场得到了世纪中叶以来，工业用酶制剂的市场得到了蓬勃发展。据统计数据表明：蓬勃发展。据统计数据表明：19811981年工业酶制剂生产量约年工业酶制剂生产量约65 000t65 000t，产值产值4 4亿美元亿美元19851985年工业酶制剂约生产年工业酶制剂约生产75 000 t75 000 t，产值约产值约6 6亿美元亿美元
16、 进入进入2020世纪世纪9090年代后，市场对酶制剂的需求增强，年代后，市场对酶制剂的需求增强，以世界上最大的酶制剂生产商丹麦的以世界上最大的酶制剂生产商丹麦的Novo Novo NordiskNordisk公司为例：公司为例：19931993年酶制剂销售为年酶制剂销售为9 9亿美元；亿美元；19981998年工业用酶的销售额为年工业用酶的销售额为15.1815.18亿美元。亿美元。国内外酶制剂工业概况国内外酶制剂工业概况 目前在世界上最有影响的酶制剂厂主要有：目前在世界上最有影响的酶制剂厂主要有：丹麦的丹麦的Novo Nordisk公司公司美国的美国的Genencor国际公司国际公司英荷合
17、资的皇家英荷合资的皇家GistGist公司公司(三大公司销售额分别占世界酶制剂市场份额的三大公司销售额分别占世界酶制剂市场份额的、29、14-19)三大公司销售额占世界总额的三大公司销售额占世界总额的90%国际市场酶制剂销售额比例国际市场酶制剂销售额比例 EgEg：-抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶1965年：年：无锡酶制剂厂无锡酶制剂厂淀粉酶淀粉酶1979年：年：糖化酶糖化酶1990年：年：碱性蛋白酶（加酶洗衣粉）碱性蛋白酶（加酶洗衣粉）1992年：年：中性蛋白酶中性蛋白酶1995年：无锡酶制剂厂引进耐高温淀粉酶和高转年：无锡酶制剂厂引进耐高温淀粉酶和高转化率液体糖化酶，化率液体糖化酶，新双酶法新双酶法
18、1998：国外大公司纷纷入驻：国外大公司纷纷入驻：2006年：全新发展阶段，专用酶制剂和特种复合年：全新发展阶段，专用酶制剂和特种复合酶制剂，拓展新的应用领域。高档次、高活性、高酶制剂，拓展新的应用领域。高档次、高活性、高质量、高水平质量、高水平 我国我国酶制剂工业酶制剂工业发展阶段发展阶段国内酶制剂销售额比例国内酶制剂销售额比例国内外酶制剂生产应用差异国内外酶制剂生产应用差异1规模：国外多公司重组规模：国外多公司重组国内重复建设、效益低国内重复建设、效益低2投入：投入：国外：开发经费高达国外：开发经费高达15%，甚至，甚至19%销售额销售额国内：研究、开发投入不足，占国内：研究、开发投入不足
19、，占1%销售额销售额3开发重点国外：大力研制、开发新酶种和新用途开发重点国外：大力研制、开发新酶种和新用途国内：品种少、剂型少国内：品种少、剂型少国内外酶制剂工业概况国内外酶制剂工业概况 第二节第二节酶的发酵生产酶的发酵生产酶的发酵生产概念和方式酶的发酵生产概念和方式酶发酵生产的一般工艺流程酶发酵生产的一般工艺流程酶发酵生产的概念酶发酵生产的概念经经过过预预先先设设计计，通通过过人人工工操操作作控控制制，利利用用细细胞胞（包包括括微微生生物物细细胞胞，植植物物细细胞胞和和动动物物细细胞胞）的的生生命命活动，生产人们所需要的酶的过程。活动，生产人们所需要的酶的过程。酶的发酵生产概念和方式酶的发酵
20、生产概念和方式酶发酵生产的方式酶发酵生产的方式:液体深层发酵液体深层发酵为为主要方式主要方式 酶发酵生产的一般工艺流程酶发酵生产的一般工艺流程 借借助助各各种种物物理理或或化化学学方方法法，将将酶酶或或细细胞胞固固定定于于水水不溶性载体上的过程，称为酶与细胞固定化。不溶性载体上的过程，称为酶与细胞固定化。酶与细胞固定化酶与细胞固定化 水溶性酶水溶性酶水不溶性载体水不溶性载体水不溶性酶水不溶性酶（固定化酶）（固定化酶）固定化技术固定化技术酶和细胞固定化示意图吸附法吸附法天然酶天然酶和和固定化酶固定化酶在应用中的一些比较在应用中的一些比较1、酶稳定性差，易变性失活、酶稳定性差，易变性失活1、稳定性
21、高、稳定性高2 2、酶和底物只能反应一次，难于回收利用，不仅成、酶和底物只能反应一次，难于回收利用，不仅成 本高，而且难于连续化生产。本高，而且难于连续化生产。2 2、多多次次使使用用，易易于于回回收收，节节约约成成本本。装装塔塔连连续续，用用于自动化生产于自动化生产3、反应液中混入酶蛋白，使产品的分离纯化复杂化、反应液中混入酶蛋白，使产品的分离纯化复杂化3、纯化简单，提高产物的质量、纯化简单，提高产物的质量 第三节第三节酶的分离纯化酶的分离纯化一、一、酶制剂的制备酶制剂的制备二、酶的纯化与精制二、酶的纯化与精制三、酶的纯度与酶活力三、酶的纯度与酶活力四、酶的保存四、酶的保存 提取和分离纯化酶
22、时一般应注意的条件提取和分离纯化酶时一般应注意的条件 温度温度 pH值值 搅拌搅拌微生物污染微生物污染酶活性测定酶活性测定要进行要进行比活力，总活力比活力，总活力测定与比较测定与比较比活力比活力=酶活力（单位）酶活力（单位）/mg/mg蛋白蛋白HPLC一、酶制剂的制备一、酶制剂的制备（机械、物理、化学、酶学破碎法）（机械、物理、化学、酶学破碎法）（盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶剂提取）（盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶剂提取）高速冷冻离心机高速冷冻离心机破碎细胞破碎细胞溶剂抽提溶剂抽提离心分离离心分离浓缩浓缩干燥干燥常速、高速、超速：转速常速、高速、超速：转速8000r-250008000r-2
23、5000r-80000-80000r/min/min 二、酶的纯化与精制二、酶的纯化与精制在酶的提取液中，不可避免地杂有其它小分子和在酶的提取液中，不可避免地杂有其它小分子和大分子物质，其中，小分子杂质在相继的纯化步大分子物质，其中，小分子杂质在相继的纯化步骤中一般会自然地除去；骤中一般会自然地除去；而大分子杂质包括有：核酸、粘多糖、其它蛋白而大分子杂质包括有：核酸、粘多糖、其它蛋白质。质。核酸可加硫酸链霉素，聚乙烯亚胺，鱼精蛋核酸可加硫酸链霉素，聚乙烯亚胺，鱼精蛋白或白或MnCl2等，使之沉淀移去，也可使用核酸酶等，使之沉淀移去，也可使用核酸酶降解。粘多糖则常用醋酸铅、乙醇、丹宁酸和离降解。
24、粘多糖则常用醋酸铅、乙醇、丹宁酸和离子型表面活性剂等处理。子型表面活性剂等处理。而纯化的主要工作，也是较困难的工作，就是要而纯化的主要工作，也是较困难的工作，就是要将酶从将酶从杂蛋白杂蛋白中分离出来中分离出来 酶纯化中常用方法酶纯化中常用方法 超速冷冻离心机超速冷冻离心机1、根据酶分子大小和形状的分离方法、根据酶分子大小和形状的分离方法离心分离离心分离凝胶过滤凝胶过滤透析与超滤透析与超滤2 2、根据酶分子电荷性质的分离方法、根据酶分子电荷性质的分离方法、根据酶分子电荷性质的分离方法、根据酶分子电荷性质的分离方法离子交换层析离子交换层析离子交换层析离子交换层析层析聚焦层析聚焦层析聚焦层析聚焦电泳
25、电泳电泳电泳电泳仪电泳仪3 3、根据酶分子专一性结合的分离方法、根据酶分子专一性结合的分离方法、根据酶分子专一性结合的分离方法、根据酶分子专一性结合的分离方法亲和层析亲和层析亲和层析亲和层析利用酶分子具有的利用酶分子具有的利用酶分子具有的利用酶分子具有的专一而又可逆的亲和力专一而又可逆的亲和力专一而又可逆的亲和力专一而又可逆的亲和力，是生，是生，是生，是生物分子分离纯化的技术；它具有结合效率高、分离物分子分离纯化的技术；它具有结合效率高、分离物分子分离纯化的技术；它具有结合效率高、分离物分子分离纯化的技术；它具有结合效率高、分离速度快的特点。速度快的特点。速度快的特点。速度快的特点。层析分离层
26、析分离 实例实例 从猪肉中纯化腺苷酸激酶。从猪肉中纯化腺苷酸激酶。其催化反应为：其催化反应为：纯化步骤：见下图纯化步骤：见下图三、酶的纯度与酶活力三、酶的纯度与酶活力酶的活力酶的活力酶的活力酶的活力：酶活力高低是以酶活力的单位数表示：酶活力高低是以酶活力的单位数表示：酶活力高低是以酶活力的单位数表示：酶活力高低是以酶活力的单位数表示1kat1kat特定条件下，每秒钟使特定条件下，每秒钟使特定条件下，每秒钟使特定条件下，每秒钟使1mol1mol底物转化为底物转化为底物转化为底物转化为产物所需要的酶量产物所需要的酶量产物所需要的酶量产物所需要的酶量 酶的比活力：酶的比活力：酶的比活力：酶的比活力：
27、比较酶的纯度和活力的高低比较酶的纯度和活力的高低比较酶的纯度和活力的高低比较酶的纯度和活力的高低比活力比活力=酶活力（单位）酶活力（单位）/mg蛋白质或蛋白质或RNA酶的纯度：酶的纯度：酶的纯度：酶的纯度：酶的比活力代表酶的纯度，但不说明酶的比活力代表酶的纯度，但不说明酶的比活力代表酶的纯度，但不说明酶的比活力代表酶的纯度，但不说明实际纯净程度是多少实际纯净程度是多少实际纯净程度是多少实际纯净程度是多少 总活力的总活力的 回收率（产率回收率（产率)某步骤后的总活力某步骤后的总活力第一次总活力第一次总活力纯化倍数纯化倍数 某步骤后的比活力某步骤后的比活力第一次比活力第一次比活力（反映提纯过程中酶
28、活力损失情况）（反映提纯过程中酶活力损失情况）（反映了纯化方法的效率）（反映了纯化方法的效率）每一步骤前后都要进行酶活力测定，每一步骤前后都要进行酶活力测定，并做出总活力、比活力比较并做出总活力、比活力比较酶制剂的保存酶制剂的保存温度温度:pH和缓冲液和缓冲液:氧化氧化/还原：还原：蛋白质的浓度及纯度蛋白质的浓度及纯度：超低温冰箱超低温冰箱四、酶的保存四、酶的保存第四节第四节 酶的应用酶的应用 酶作为一种催化剂，已经被广泛的应用于轻工酶作为一种催化剂，已经被广泛的应用于轻工业的各个领域。随着酶工程的迅猛发展，酶在生业的各个领域。随着酶工程的迅猛发展，酶在生物工程、生物传感器、环保、医药等方面的
29、应用物工程、生物传感器、环保、医药等方面的应用也日益扩大。可以说，酶已经成了国民经济中不也日益扩大。可以说，酶已经成了国民经济中不可缺少的一部分。可缺少的一部分。高高果果糖糖浆浆的的生生产产 淀粉 -淀粉酶 液化 淀粉葡萄糖苷酶 糖化 葡萄糖浆 葡萄糖异构酶 异构化 高果糖浆（42%）离子交换剂 分离 高果糖浆（70%）由淀粉生产果糖的工艺流程 酶应用的典型例子酶应用的典型例子1.果葡糖浆果葡糖浆上万吨上万吨/年年数千吨酶数千吨酶/年年2.氨基酰化酶氨基酰化酶生产生产L-氨基酸氨基酸 这是世界上这是世界上第一种用于工业化生产的固定化酶第一种用于工业化生产的固定化酶。1969年日本田边制药公司将
30、从米曲霉中提取分离得年日本田边制药公司将从米曲霉中提取分离得到氨基酰化酶用到氨基酰化酶用DEAE-葡聚糖凝胶为载体通过离子葡聚糖凝胶为载体通过离子键结合法，键结合法，制成固定化酶制成固定化酶，用来拆分用来拆分DL-乙酰氨基乙酰氨基酸，酸，连续生产连续生产L-氨基酸；生产成本仅为用游离酶的氨基酸；生产成本仅为用游离酶的60。在日本，每年有近百公斤的在日本，每年有近百公斤的L-甲硫氨酸、苯丙氨甲硫氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸通过氨基酰化酶柱生产。酸、酪氨酸、丙氨酸通过氨基酰化酶柱生产。3.青霉素酰化酶青霉素酰化酶 这是在这是在医药工业上广泛使用医药工业上广泛使用的一种的一种固定化酶固定化酶，19
31、73年已用于工业化生产。在欧洲，用来催化天然年已用于工业化生产。在欧洲，用来催化天然的青霉素的青霉素G或或V生产生产6-氨苄青霉烷酸氨苄青霉烷酸（6-APA），它，它是合成半合成抗生素的一个重要中间产物。用同一是合成半合成抗生素的一个重要中间产物。用同一种固定化青霉素酰化酶，只要改变种固定化青霉素酰化酶，只要改变pH等条件，就可等条件，就可以生产不同的产物。以生产不同的产物。青霉素酰化酶青霉素酰化酶 30吨吨/年年 6-APA 3500吨吨/年年4.有机合成中酶的应用范围不断扩大有机合成中酶的应用范围不断扩大 -用于手性化合物的合成和拆用于手性化合物的合成和拆分分 目前世界上化学合成的药物目前
32、世界上化学合成的药物40是手性药是手性药物，其中物，其中只有只有10以单一对映体出售以单一对映体出售。有不少手。有不少手性药物，两种对映体的化学组成相同，但是药理性药物，两种对映体的化学组成相同，但是药理作用不同，药效也有很大差别。作用不同，药效也有很大差别。药物名称药物名称有效对映体作用有效对映体作用另一种的作用另一种的作用萘普生萘普生消炎，解热，镇痛消炎，解热，镇痛疗效很弱疗效很弱羟基苯哌嗪羟基苯哌嗪镇咳镇咳有神经毒性有神经毒性反应停反应停镇静剂镇静剂致畸胎致畸胎巴比妥巴比妥镇静剂镇静剂兴奋剂兴奋剂喘速宁喘速宁扩张支气管扩张支气管抑制血小板凝聚抑制血小板凝聚普萘洛尔普萘洛尔（心得安）（心得
33、安）治疗心脏病，治疗心脏病，-受体受体阻断剂阻断剂钠通道阻滞剂钠通道阻滞剂据报道，全球各主要制药公司实验室正在研制开发的据报道，全球各主要制药公司实验室正在研制开发的1200种新药种种新药种，至少有，至少有820种为手性药物种为手性药物，说明世，说明世界生物催化剂市场发展前景看好界生物催化剂市场发展前景看好5.酶抑制剂的应用酶抑制剂的应用 棒酸棒酸对对-内酰胺酶内酰胺酶的抑制的抑制 -内酰胺酶水解青霉素中的内酰胺环内酰胺酶水解青霉素中的内酰胺环，形成青，形成青霉酸而丧失杀菌力。如果将霉酸而丧失杀菌力。如果将棒酸与青霉素混合使用棒酸与青霉素混合使用，能使能使抗性细菌的酶活性受到抑制抗性细菌的酶活
34、性受到抑制。酶的抑制剂是指不引起酶变性而能抑制酶活性酶的抑制剂是指不引起酶变性而能抑制酶活性的物质，它不仅能治疗疾病，而且在农业和食品加的物质，它不仅能治疗疾病，而且在农业和食品加工上的应用也日益扩大。工上的应用也日益扩大。新型除莠剂二丙膦：谷氨酰胺合成酶的抑制剂新型除莠剂二丙膦：谷氨酰胺合成酶的抑制剂抗坏血酸：多酚氧化酶的抑制剂抗坏血酸：多酚氧化酶的抑制剂6.新能源开发中的应用新能源开发中的应用不可再生能源：不可再生能源：化石原料如煤（化石原料如煤（100-120年），年），天然气（天然气（30-50年），石油（年），石油（18-30年）年）再生能源：再生能源：太阳能，风能，地热能，太阳能，
35、风能，地热能，生物能生物能，海洋能，海洋能，水能水能生物能源的主要形式：生物能源的主要形式：沼气沼气：由葡萄糖厌氧酵解产甲烷由葡萄糖厌氧酵解产甲烷燃料乙醇：燃料乙醇：玉米通过微生物发酵玉米通过微生物发酵生物柴油：生物柴油：生物酶将植物油或其它油脂分解得到的液体生物酶将植物油或其它油脂分解得到的液体燃料（脂肪酸甲酯或乙酯）燃料（脂肪酸甲酯或乙酯）生物制氢：生物制氢：利用某些微生物代谢过程来生产氢气利用某些微生物代谢过程来生产氢气酶工程领域的展望与热点酶工程领域的展望与热点一、微生物酶源是酶工程研究的主源流。一、微生物酶源是酶工程研究的主源流。微生物菌种或微生物酶是工业生物技术的基础微生物菌种或微
36、生物酶是工业生物技术的基础；（至少（至少58国家国家/484个菌种保藏中心个菌种保藏中心/80多万株多万株/200种商品酶）种商品酶）从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物技术从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物技术的主要特点的主要特点；美国、日本、欧洲等对新来源的菌种（包括极端微美国、日本、欧洲等对新来源的菌种（包括极端微生物与未培养微生物）研究非常重视生物与未培养微生物）研究非常重视；新型生物催化剂的来源是工业生物技术发展的基础新型生物催化剂的来源是工业生物技术发展的基础二、以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是二、以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是革命性导向革命性导向酶结构与功能关
37、系的研究酶结构与功能关系的研究仍然是酶工程研究的基仍然是酶工程研究的基础和依托核心，基因工程与蛋白质工程构建酶是十分础和依托核心，基因工程与蛋白质工程构建酶是十分诱人的领域。诱人的领域。近年来发展起来的近年来发展起来的定向进化技术定向进化技术，大大加速了人，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。蛋白质定向类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。蛋白质定向进化技术最大的优势在于可操作性强，可在进化技术最大的优势在于可操作性强，可在实验室试实验室试管管中操作。中操作。它可以使蛋白质（酶）在自然界需要几百它可以使蛋白质（酶）在自然界需要几百万年才能完成的进化过程缩短到几年甚至几个月万年才能完成
38、的进化过程缩短到几年甚至几个月。目前定向改造的两个方向：目前定向改造的两个方向：酶在有机溶剂中的稳定性；扩大酶对底物的选择性酶在有机溶剂中的稳定性；扩大酶对底物的选择性三、酶工程热点三、酶工程热点酶法转化、折分合成手酶法转化、折分合成手性药物及精细化合物性药物及精细化合物酶法合成引入到有机合成领域中带来了新的机酶法合成引入到有机合成领域中带来了新的机遇和革命，酶法合成的专一性及选择性较化工合成遇和革命，酶法合成的专一性及选择性较化工合成有明显的优势。有明显的优势。四、构建新酶四、构建新酶抗体酶、核酶及人工合成酶是一个前沿生长点抗体酶、核酶及人工合成酶是一个前沿生长点催化性抗体（催化性抗体（Ca
39、talyticantibody）称抗体酶）称抗体酶（Abzyme）：有催化功能的免疫球蛋白）：有催化功能的免疫球蛋白核酶（核酶（Ribozyme）：可催化）：可催化RNA自我切割及断裂反自我切割及断裂反应，还具有催化自身复制功能。应，还具有催化自身复制功能。人工合成酶（人工合成酶（Synzyme）是合成具有催化功能的高聚）是合成具有催化功能的高聚物分子。物分子。迄今已发现的酶有迄今已发现的酶有3000多种，目前工业上生多种，目前工业上生产的酶有产的酶有60多种，真正达到工业化规模的酶只多种，真正达到工业化规模的酶只有有20多种，而且大多数是水解酶。因此，酶的多种，而且大多数是水解酶。因此，酶的应用潜力很大，前景十分诱人应用潜力很大，前景十分诱人放眼未来，我们有理由相信酶的生产和应用将得放眼未来，我们有理由相信酶的生产和应用将得到进一步的扩大，当今世界普遍关注的环境和资源到进一步的扩大，当今世界普遍关注的环境和资源问题将为酶工程的研究提供新的方向。毫无疑问，问题将为酶工程的研究提供新的方向。毫无疑问，酶工程在解决其中一些问题上将发挥重大的作用。酶工程在解决其中一些问题上将发挥重大的作用。复习题复习题1.什么叫酶工程？什么叫酶工程？2.试述酶分离纯化的一般流程。试述酶分离纯化的一般流程。3.试谈谈酶工程领域的展望与热点。试谈谈酶工程领域的展望与热点。