酶工程領域的展望與熱點

來源：生物谷作者：西寶生物人氣：-發表時間：2012-01-12 14:24:03【大中小】

　　隨著人們對酶生物合成、結構與催化分子機理的深入了解和物理化學技術的長足進展，促進了分子酶學與酶工程學的迅猛崛起，使酶工程已成為生物工程的重要角色。事實上是人類認識酶，改造構建新酶和廣泛利用酶的劃時代飛躍，科學技術的發展已不存在純粹的酶工程學概念，此學科在研究內容、手段和目的上與基因工程、蛋白質工程、細胞工程、發酵工程等孿生學科是相互交融的整體生物工程部分，對21世紀酶工程發展的正確導向，進行哲理性的正確科學分析和判斷，探討此領域的研究方向和策劃是很有必要的。
　　一、微生物酶源是酶工程研究的主源流生物多樣性與人類生存密切相關已為人們所共識，由于微生物的多樣性、傳代生長速度快、培養可控性、生產成本低、易進行基因突變、克隆重組及高效表達等優點，使人類能很快獲得優良的基因工程菌，微生物酶源無疑將會發揮更大的作用和潛力，對動、植物中特殊用途酶轉入微生物和地球各大物種間基因的有效相互轉化、改良物種性能、整合小基因及基因異源性等問題是有待開發、探討的課題。
　　二、以基因工程和蛋白質工程改造和設計酶是革命性導向
　　酶結構與功能關系的研究仍然是酶工程研究的基礎和依托核心：改造或設計新酶的成敗基礎在于對天然酶靜態、動態結構與催化機理關系的精確認識，也有賴于對基因模版分子結構與蛋白質合成機制的大量情報，但這兩個問題并未深化，使酶的設計仍存在很大的盲目性、片面性和偶然性，只有對天然酶的功能基因組，酶催化的超分子和構象變化的關系，結構與立體專一性、穩定性、變態性的關系以及多酶體系的定位及高效催化機制有徹底的認識，才能自覺改造和設計出新酶。
　　基因工程與蛋白質工程構建酶是十分誘人的領域：在30億年生物進化中，只發現了1055種功能蛋白和酶，經計算300個氨基酸可組成不同序列的蛋白質有約10390種，因而在自然界，絕大多數新蛋白或酶仍未產生，有待人類去進行人工定向進化，創造開發新酶類，其中對大量天然蛋白質的DNA測序，建立大量蛋白質功能基因庫，為雜交提供重要信息，通過計算機模擬，從頭設計及合成全新的非天然有用酶已成為可能。此外，利用天然酶的多樣性，通過靶子基因的定點突變噬菌體展示技術，結合化學修飾技術，賦予酶的新結構，新特性，改進酶的催化功能，可使酶制劑工業進入一個嶄新的時代。
　　三、酶工程熱點———酶法轉化、折分合成手性藥物及精細化合物
　　酶法合成引入到有機合成領域中帶來了新的機遇和革命，酶法合成的專一性及選擇性較化工合成有明顯的優勢，利用微生物和酶區域、位點、立體的選擇性，如羥化、環氧化、異構化、水解、對映體折分，藥物中間體合成，其中一些反應是化學法難以實現的。進行酶催化的定向調控，可使生物轉化合成效率成倍增加，可改變反應平衡方向。酶法合成生物功能分子，非天然有用物質和功能性高分子材料，應用于化工材料生產，電子工業已成為可能。酶在有機合成中扮演的重要角色是不對稱合成或折分醇、醛、酮、酸、胺、酰胺、氨基酸、抗生素、糖苷酶抑制劑及抗病毒藥物等手性藥物。如：農藥、藥物、香料、殺蟲劑、除蟲劑、昆蟲激素、信息素等。只有特定的手性才具有生物活性，直接關系到藥理作用，毒副作用，藥效時間及療效等，在有機材料中，如液晶，“靶”性化合物，半導體及導電性功能高分子材料，手性組分決定其物理性能。
　　水解酶類、氧化還原酶類、裂解酶類、連接合成酶類、異構酶類及轉移酶類均可用于有機合成及手性化合物合成。如脂肪酶可廣泛用于合成各種氨基酸、羧酸、手性醇等。利用酶在非水相中酯化或轉酯化可折分得到光學純的外消旋羧酸及醇手性藥物中間體。蛋白酶用于不可逆的大肽鏈合成。糖基化轉移酶可合成有醫用價值的糖基化蛋白質。大多數醇脫氫酶及羥類固醇脫氫酶催化羥—酮的氧化還原制備藥物、信息素、甾類、三羧酸鉻復合物及合成纖維等。酵母醇脫氫酶主要催化脂肪醇或醛酮氧化還原，馬肝醇脫氫酶對肪肪環烷醇或醛酮專一氧化還原，而甾醇脫氫酶主要催化稠環脂肪醇或醛酮的氧化還原，氧酶合成鏈烯化合物，環化酶合成甾體和萜烯類化合物。
　　在酶合成具有特色的功能性高分子材料方面，如過氧化物酶催化酚及芳香胺類的聚合反應，這類分子材料剛性增強且有明顯導電性，與金屬離子絡合性，場致發光性及制備為納米材料。酪氨酸酶聚合多巴胺合成有導電性能的聚吡咯薄膜材料用于生物傳感器。脂肪酶和堿性蛋白酶在非水介質中催化羥基羧酸酯自身縮合得到高分子聚酯或聚糖醇。大環內酯常用于合成抗生素中間體，香料添加劑，昆蟲性外激素及植物生長調節因子及液晶類化合物中間體，聚酯可被生物降解，用于控制藥物釋放，包裝材料，消除白色污染。
　　酶法聚合物在結構、性質和功能上與化學法相比較存在明顯差異，具有化學法無法聚合一些物質的優勢。手性生物合成仍處于探索階段，改進酶催化的選擇性及優化合成工藝路線，相信在近期會取得重大進展。
　　四、構建新酶———抗體酶、核酶及人工合成酶是一個前沿生長點
　　構建有別于天然功能酶的新酶類，是酶工程研究的又一前沿領地。
　　催化抗體（Catalyticantibody）并稱抗體酶（Abzyme）是人們賦予其催化功能的免疫球蛋白，抗體是目前最大的多樣性家族，與抗原有結合部位與酶相似，但無催化活性。酶促催化在于與底物結合產生過渡態，降低能障。人們設想以過渡態類似物作為半抗原用誘導法、拷貝法、插入法、化學修飾法和基因工程法，制備有催化功能的抗體酶，在哺乳動物中已制備了五十多種抗體酶，以及催化羧酸酯水解的分枝酸變位酶，有膽堿酯酶及過氧化物酶活性的抗體酶，抗體酶的研究可為酶作用機理及過渡態理論提供依據，可以用來設計出專一性強的多肽水解酶去破壞病毒蛋白或清除血管凝血塊的抗體酶或用于吸毒、癌癥藥物治療減輕化療副作用，以及制藥工業的對映體折分，但大多數抗體酶催化效率與天然酶仍相差很遠，急需建立抗體基因文庫，用基因克隆突變技術，催化輔因子引入技術，正確選擇過渡態類似物，探討酶結構與功能的分子關系，才能真正獲得有特殊用途的抗體酶。
　　分子剪接——核酶（Ribozyme）近年來發現RNA也是一種多功能催化劑，稱為核酶，可催化四種類型的RNA自我切割及斷裂反應，RNA還具有催化自身復制功能，這發現打破了只有蛋白質才有催化功能的概念，也提供了先有核酸，后有蛋白質的自然進化證據，是生命進化過程中有信使及催化自身復制功能的最簡單、經濟的RNA原始世界。
　　我們可設計各種用途的核酶，治療植物及人畜病毒病、遺傳病或癌癥。最終目標是構建出一套核酶能在細胞質中高效表達的系統。
　　人工合成酶（Synzyme）是合成具有催化功能的高聚物分子，目前使用分子印跡和生物印跡技術制備人工酶，原理與抗體酶過渡態理論大致相同，已經初步制備了具有蛋白酶功能，氧化還原酶催化功能的人工酶，人工酶亦可用于手性藥物及化合物的分離純化及生物傳感器的分子識別，目前人工酶的催化轉換數仍很低，需要多學科配合，對酶催化分子機理的深入了解，才會有可能在特殊反應中優于天然酶。
　　酶學與酶工程的研究領域還有固定化生物催化劑及酶反應器的工業應用，以及作為生物功能信息分子參與生命過程調控的糖藥物酶促合成的糖工程等，相信在電子信息技術，高物理、化學技術、生物高技術密切合作的時代，酶工程必然會走向深化境界，無論在理論上或在應用上將有更大的創新性成就。