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酶工程领域的展望与热点
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随着人们对酶生物合成、结构与催化分子机理的深入了解和物理化学技术的长足进展，促进了分子酶学与酶工程学的迅猛崛起，使酶工程已成为生物工程的重要角色。事实上是人类认识酶，改造构建新酶和广泛利用酶的划时代飞跃，科学技术的发展已不存在纯粹的酶工程学概念，此学科在研究内容、手段和目的上与基因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工程等孪生学科是相互交融的整体生物工程部分，对21世纪酶工程发展的正确导向，进行哲理性的正确科学分析和判断，探讨此领域的研究方向和策划是很有必要的。 一、微生物酶源是酶工程研究的主源流生物多样性与人类生存密切相关已为人们所共识，由于微生物的多样性、传代生长速度快、培养可控性、生产成本低、易进行基因突变、克隆重组及高效表达等优点，使人类能很快获得优良的基因工程菌，微生物酶源无疑将会发挥更大的作用和潜力，对动、植物中特殊用途酶转入微生物和地球各大物种间基因的有效相互转化、改良物种性能、整合小基因及基因异源性等问题是有待开发、探讨的课题。 二、以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是革命性导向 酶结构与功能关系的研究仍然是酶工程研究的基础和依托核心：改造或设计新酶的成败基础在于对天然酶静态、动态结构与催化机理关系的精确认识，也有赖于对基因模版分子结构与蛋白质合成机制的大量情报，但这两个问题并未深化，使酶的设计仍存在很大的盲目性、片面性和偶然性，只有对天然酶的功能基因组，酶催化的超分子和构象变化的关系，结构与立体专一性、稳定性、变态性的关系以及多酶体系的定位及高效催化机制有彻底的认识，才能自觉改造和设计出新酶。 基因工程与蛋白质工程构建酶是十分诱人的领域：在30亿年生物进化中，只发现了1055种功能蛋白和酶，经计算300个氨基酸可组成不同序列的蛋白质有约10390种，因而在自然界，绝大多数新蛋白或酶仍未产生，有待人类去进行人工定向进化，创造开发新酶类，其中对大量天然蛋白质的DNA测序，建立大量蛋白质功能基因库，为杂交提供重要信息，通过计算机模拟，从头设计及合成全新的非天然有用酶已成为可能。此外，利用天然酶的多样性，通过靶子基因的定点突变噬菌体展示技术，结合化学修饰技术，赋予酶的新结构，新特性，改进酶的催化功能，可使酶制剂工业进入一个崭新的时代。 三、酶工程热点———酶法转化、折分合成手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，利用微生物和酶区域、位点、立体的选择性，如羟化、环氧化、异构化、水解、对映体折分，药物中间体合成，其中一些反应是化学法难以实现的。进行酶催化的定向调控，可使生物转化合成效率成倍增加，可改变反应平衡方向。酶法合成生物功能分子，非天然有用物质和功能性高分子材料，应用于化工材料生产，电子工业已成为可能。酶在有机合成中扮演的重要角色是不对称合成或折分醇、醛、酮、酸、胺、酰胺、氨基酸、抗生素、糖苷酶抑制剂及抗病毒药物等手性药物。如：农药、药物、香料、杀虫剂、除虫剂、昆虫激素、信息素等。只有特定的手性才具有生物活性，直接关系到药理作用，毒副作用，药效时间及疗效等，在有机材料中，如液晶，“靶”性化合物，半导体及导电性功能高分子材料，手性组分决定其物理性能。 水解酶类、氧化还原酶类、裂解酶类、连接合成酶类、异构酶类及转移酶类均可用于有机合成及手性化合物合成。如脂肪酶可广泛用于合成各种氨基酸、羧酸、手性醇等。利用酶在非水相中酯化或转酯化可折分得到光学纯的外消旋羧酸及醇手性药物中间体。蛋白酶用于不可逆的大肽链合成。糖基化转移酶可合成有医用价值的糖基化蛋白质。大多数醇脱氢酶及羟类固醇脱氢酶催化羟—酮的氧化还原制备药物、信息素、甾类、三羧酸铬复合物及合成纤维等。酵母醇脱氢酶主要催化脂肪醇或醛酮氧化还原，马肝醇脱氢酶对肪肪环烷醇或醛酮专一氧化还原，而甾醇脱氢酶主要催化稠环脂肪醇或醛酮的氧化还原，氧酶合成链烯化合物，环化酶合成甾体和萜烯类化合物。 在酶合成具有特色的功能性高分子材料方面，如过氧化物酶催化酚及芳香胺类的聚合反应，这类分子材料刚性增强且有明显导电性，与金属离子络合性，场致发光性及制备为纳米材料。酪氨酸酶聚合多巴胺合成有导电性能的聚吡咯薄膜材料用于生物传感器。脂肪酶和碱性蛋白酶在非水介质中催化羟基羧酸酯自身缩合得到高分子聚酯或聚糖醇。大环内酯常用于合成抗生素中间体，香料添加剂，昆虫性外激素及植物生长调节因子及液晶类化合物中间体，聚酯可被生物降解，用于控制药物释放，包装材料，消除白色污染。 酶法聚合物在结构、性质和功能上与化学法相比较存在明显差异，具有化学法无法聚合一些物质的优势。手性生物合成仍处于探索阶段，改进酶催化的选择性及优化合成工艺路线，相信在近期会取得重大进展。 四、构建新酶———抗体酶、核酶及人工合成酶是一个前沿生长点 构建有别于天然功能酶的新酶类，是酶工程研究的又一前沿领地。 催化抗体（Catalyticantibody）并称抗体酶（Abzyme）是人们赋予其催化功能的免疫球蛋白，抗体是目前最大的多样性家族，与抗原有结合部位与酶相似，但无催化活性。酶促催化在于与底物结合产生过渡态，降低能障。人们设想以过渡态类似物作为半抗原用诱导法、拷贝法、插入法、化学修饰法和基因工程法，制备有催化功能的抗体酶，在哺乳动物中已制备了五十多种抗体酶，以及催化羧酸酯水解的分枝酸变位酶，有胆碱酯酶及过氧化物酶活性的抗体酶，抗体酶的研究可为酶作用机理及过渡态理论提供依据，可以用来设计出专一性强的多肽水解酶去破坏病毒蛋白或清除血管凝血块的抗体酶或用于吸毒、癌症药物治疗减轻化疗副作用，以及制药工业的对映体折分，但大多数抗体酶催化效率与天然酶仍相差很远，急需建立抗体基因文库，用基因克隆突变技术，催化辅因子引入技术，正确选择过渡态类似物，探讨酶结构与功能的分子关系，才能真正获得有特殊用途的抗体酶。 分子剪接——核酶（Ribozyme）近年来发现RNA也是一种多功能催化剂，称为核酶，可催化四种类型的RNA自我切割及断裂反应，RNA还具有催化自身复制功能，这发现打破了只有蛋白质才有催化功能的概念，也提供了先有核酸，后有蛋白质的自然进化证据，是生命进化过程中有信使及催化自身复制功能的最简单、经济的RNA原始世界。 我们可设计各种用途的核酶，治疗植物及人畜病毒病、遗传病或癌症。最终目标是构建出一套核酶能在细胞质中高效表达的系统。 人工合成酶（Synzyme）是合成具有催化功能的高聚物分子，目前使用分子印迹和生物印迹技术制备人工酶，原理与抗体酶过渡态理论大致相同，已经初步制备了具有蛋白酶功能，氧化还原酶催化功能的人工酶，人工酶亦可用于手性药物及化合物的分离纯化及生物传感器的分子识别，目前人工酶的催化转换数仍很低，需要多学科配合，对酶催化分子机理的深入了解，才会有可能在特殊反应中优于天然酶。 酶学与酶工程的研究领域还有固定化生物催化剂及酶反应器的工业应用，以及作为生物功能信息分子参与生命过程调控的糖药物酶促合成的糖工程等，相信在电子信息技术，高物理、化学技术、生物高技术密切合作的时代，酶工程必然会走向深化境界，无论在理论上或在应用上将有更大的创新性成就。 |
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分子酶工程学与分析生物技术 中国科学院武汉病毒研究所 张先恩 分子酶工程学在分析生物技术领域有广阔的技术发展空间。酶法分析是分析生物技术中的主要内容之一，包括酶试剂盒、酶联免疫（ELISA）、酶标基因探针、酶传感器等等，已经在临床诊断、生物工艺过程分析与监控、环境监测、检疫、生命科学研究等方面逐渐取代传统的化学分析法。 分析用酶之所以被青睐，归功于酶分子高度特异性和高催化效率，使微观生物学反应过程得以放大。然而，天然酶蛋白分子并非完美无缺，它们或太“娇嫩”，热稳定性差，容易受抑制，受蛋白酶水解而失活，或催化性能不理想，固定化回收活力低下等等，导致许多分析用酶还未能实际发挥作用。特别具有很多优点的固定化酶分析法和各类酶传感器，并没有获得广泛应用。 如何能够对酶蛋白实施分子改造，使它们的性能得到改善，是具有挑战性的课题。化学修饰法曾经是主要的手段，但盲目性比较大，效果常常不理想。分子酶工程学是近年发展起来的新的学科领域，其基础是结构生物学和生物信息学，尤其是利用蛋白质超分子结构知识，采用基因工程和蛋白质工程手段，对天然酶实施定向改造和体外分子进化，在开发新型、高质量分析酶试剂方面意义重大。 近期在作者实验室的研究进展，包括：（1）大肠杆菌碱性磷酸酶的定向改造与分子体外进行；（2）固定化酶空间取向控制的“锚链”（anchor―chain）模型；（3）顺序酶反应融合蛋白分子系统的构建；（4）免疫酶光开关；（5）增强电子传递速率的融合酶分子系统等等。这些研究成果不仅在生物传感、蛋白质芯片和酶标等分析生物技术中有重要应用价值，而且为发展其它的分析酶系统提供了一些新的技术思路和模式方法。 分子酶工程学的研究进展得益于蛋白质结构知识的增长。如今，越来越多的酶的三维结构被解析出来，成为重塑蛋白质分子的依据。然而，在现阶段，我们还不具有“设计”蛋白质的能力，这需要更加完备的结构生物学知识。 相对于其它各种功能蛋白质，酶的结构与功能研究还处于幼年期，在分析生物技术中的应用更是较晚，但已经展示出广阔的发展前景。另外两个值得关注的方向是抗体工程和抗体酶或催化抗体，它们在分析生物技术中具有潜在的贡献。 |
2楼2007-01-05 11:43:56
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