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第一章第一章 绪论绪论n第一节第一节 生物催化和工业生物技术生物催化和工业生物技术n第二节第二节 研究内容研究内容 n第三节第三节 国内外酶制剂工业概况国内外酶制剂工业概况生物学生物学化学化学工程工程工程学工程学化学化学生物生物工程工程生物生物化学化学生物生物技技术第一节第一节 生物催化生物催化新新兴、前沿学科往往在学科交叉中、前沿学科往往在学科交叉中产生生生物技术医医药生物技生物技术农业生物技生物技术工工业生物技生物技术环境生物技境生物技术材料生物技材料生物技术.用生物或生物分子机器生用生物或生物分子机器生产产品和解决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技生物技术产业化的三个浪潮化的三个浪潮 医医药生物技生物技术:19821982年重年重组人胰人胰岛素素上市上市 农业生物技生物技术:19961996年年转基因大豆、玉米、油基因大豆、玉米、油菜相菜相继上市上市 工工业生物技生物技术:世世纪之交聚交之交聚交酯、生物、生物钢、聚、聚乳酸相乳酸相继上市上市工工业生物技生物技术-迈向向发达国家之达国家之战略略什么是什么是工工业生物技生物技术？n以微生物或以微生物或酶为催化催化剂进行物行物质转化，大化，大规模地生模地生产人人类所需的化学品、医所需的化学品、医药、能源、材料等、能源、材料等产品的品的生物技生物技术。它是人。它是人类由化石由化石(碳碳氢化合物化合物)经济向生向生物物(碳水化合物碳水化合物)经济过渡的必要工具，是解决人渡的必要工具，是解决人类目前面目前面临的的资源、能源及源、能源及环境危机的有效手段。境危机的有效手段。n生物技生物技术在工在工业上的上的应用主要分用主要分为两两类，一是以可，一是以可再生再生资源源(生物生物资源源)替代化石燃料替代化石燃料资源；二是利用源；二是利用生物体系如全生物体系如全细胞或胞或酶为反反应剂或催化或催化剂的生物加的生物加工工工工艺替代替代传统的、非生物加工工的、非生物加工工艺。工工业生物技生物技术的核心的核心n工工业生物技生物技术的核心是生物催化的核心是生物催化(Biocatalysis)(Biocatalysis)。由生物催化由生物催化剂完成的生物催化完成的生物催化过程具有催化效率高、程具有催化效率高、专一性一性强、反、反应条件温和、条件温和、环境友好等境友好等优势。n美国能源部、商美国能源部、商业部等部部等部门预测：生物催化：生物催化剂将成将成为2121世世纪化学工化学工业可持可持续发展的必要工具，生物催展的必要工具，生物催化技化技术的的应用可在未来的用可在未来的2020年中使年中使传统化学工化学工业原原材料、水和能源消耗减少材料、水和能源消耗减少30%30%、污染物排放减少染物排放减少30%30%。世界世界经合合组织(OECD)(OECD)指出：指出：“工工业生物技生物技术是工是工业可持可持续发展最有希望的技展最有希望的技术”工工业生物技生物技术&生物催化生物催化n含意：在工含意：在工业规模的生模的生产过程中使用或部分程中使用或部分使用生物技使用生物技术来来实现产品的制造，品的制造，这种技种技术是是应用微生物和生物催化用微生物和生物催化剂来提供来提供产品和服品和服务n核心目核心目标：大：大规模利用生物体系（如模利用生物体系（如细胞或胞或酶）作）作为催化催化剂实现物物质转化化 工工业生物技生物技术是生物技是生物技术的重要的重要组成部分成部分n20012001年，年，OECDOECD在一些国家和地区在一些国家和地区进行了生物技行了生物技术用于改用于改造造传统工工业的的2121个个试验。试验主要是主要是测试生物技生物技术对传统重重污染工染工业的的绿色改造效率：色改造效率：n在改造在改造纸浆和造和造纸行行业方面，生物技方面，生物技术能减少漂白能减少漂白过程程中中10%15%10%15%的的氯排放量，并且将漂白排放量，并且将漂白过程中的能量消耗降程中的能量消耗降低低40%40%；n在改造在改造纺织业方面，生物技方面，生物技术可以减少可以减少14%18%14%18%的水消耗的水消耗量，与用水有关和空气散量，与用水有关和空气散热方面的方面的费用减少用减少50%60%50%60%，漂，漂白白过程的能源消耗也将降低程的能源消耗也将降低9%14%9%14%；n塑料塑料产品生品生产在改造方面，用生物有机原料替代石化原在改造方面，用生物有机原料替代石化原料，能料，能够减少减少20%80%20%80%的的对石化石化资源的需求，而且源的需求，而且产品是品是可自然降解的可自然降解的“绿色塑料色塑料”；n生物技生物技术用于化学制用于化学制药行行业，例如，例如维生素生素B2B2的生的生产过程程中，能中，能够减少减少80%80%的的CO2CO2排放量，减少排放量，减少67%67%的的污水排放量。水排放量。将生物技将生物技术用于用于头孢类抗生素的生抗生素的生产，能，能够减少减少50%50%的的CO2CO2排放量，排放量，节约20%20%的能源消耗，的能源消耗，节水水75%75%。n中国高度重中国高度重视工工业生物技生物技术的的发展，展，20052005年年9 9月，由国家科技部中国生物技月，由国家科技部中国生物技术发展中心展中心组织了了“首届国首届国际生物生物经济高高层论坛”在北京在北京召开。召开。n在在20062006年年颁布的国家中布的国家中长期科学和技期科学和技术发展展规划划纲要中把要中把“新一代工新一代工业生物技生物技术”作作为“前沿技前沿技术”列入列入规划。划。n工工业生物催化和生物生物催化和生物转化的研究，是中国参化的研究，是中国参与生物技与生物技术国国际竞争的一个争的一个难得的机遇和切得的机遇和切入点，也是我国生物技入点，也是我国生物技术应用研究的一个用研究的一个战略重点，其最略重点，其最终目目标是通是通过生物学、化学和生物学、化学和过程科学的交叉，建立以生物催化和生物程科学的交叉，建立以生物催化和生物转化化为基基础的新生物加工体系。的新生物加工体系。国际工业生物技术的研究热点和未来趋势国际工业生物技术的研究热点和未来趋势 n当前生物催化和转化技术具代表性的研究热点包括以酶法生产甜味剂阿斯巴甜、L-苯丙酸、抗菌素中间体6-APA、D-对羟苯甘氨酸和1,3-丙二醇等。作为生物材料的代表产品聚乳酸，目前已有多家公司大规模生产。2000年全球以生物法生产的可再生的生物能源液体燃料已近1000万吨。n1.1.工工业生物催化生物催化剂改性和提高改性和提高生物催化生物催化剂是生物催化和是生物催化和转化技化技术的核心。生物催化的核心。生物催化剂快速定向改造新技快速定向改造新技术已被用于上百个已被用于上百个酶的的进化，大大化，大大提高了生物提高了生物酶的活性和效率。如枯草杆菌蛋白的活性和效率。如枯草杆菌蛋白酶E E在有机在有机溶液中溶液中(60%DMF)(60%DMF)的活性提高了的活性提高了170170倍；今后生物催化倍；今后生物催化剂的的研研发与改与改进需要追求如下目需要追求如下目标：性能更好：性能更好(包括包括选择性、性、热稳定性、溶定性、溶剂耐受性等耐受性等)、催化范、催化范围更广、催化功能更更广、催化功能更多、催化速度更快、生多、催化速度更快、生产成本更低。成本更低。n这些目些目标可具体量化可具体量化为：酶的温度的温度稳定性提高到定性提高到120120130130、酶活性比活性比现有的在水或有机溶有的在水或有机溶剂中其活性增加中其活性增加1001000010010000倍、倍、产率提高率提高1010010100倍、倍、酶转化率达到化率达到现有化有化学催化学催化剂的水平；耐久性达到几个月至几年；提高了固的水平；耐久性达到几个月至几年；提高了固定化定化酶或微生物的活性。或微生物的活性。n近年来，近年来，这方面的研究工作主要集中在极端微生物、未方面的研究工作主要集中在极端微生物、未培养微生物、共生微生物、非水相催化、分子定向培养微生物、共生微生物、非水相催化、分子定向进化、化、合理化合理化设计等。等。1.11.1极端微生物极端微生物n极端微生物的研究和极端微生物的研究和应用已成用已成为国国际热点，高温点，高温DNADNA聚合聚合酶、碱性、碱性酶、碱性、碱性纤维素素酶、环糊精糊精酶及极端采油菌已在及极端采油菌已在产业上上产生了重要影响。生了重要影响。n极端微生物研究涉及嗜高温菌、嗜低温菌、嗜极端微生物研究涉及嗜高温菌、嗜低温菌、嗜盐菌、嗜极端菌、嗜极端pHpH菌等。菌等。n嗜高温菌主要嗜高温菌主要应用于食品工用于食品工业和洗和洗涤剂工工业；嗜；嗜低温菌有助于提高低温菌有助于提高热敏性敏性产品的品的产量；嗜量；嗜盐菌由菌由于在高于在高盐浓度下度下稳定而被用于含定而被用于含盐体系催化体系催化剂。现已已筛选出出3030多属中的多属中的7070多种嗜高温菌。多种嗜高温菌。n最近的研究集中在与工最近的研究集中在与工业生物催化相关的极端生物催化相关的极端酶的的认定上，定上，这些些酶包括：包括：酯酶/脂肪脂肪酶、糖苷、糖苷酶、醛缩酶、腈水解水解酶/酰胺胺酶、膦酸酸酯酶、消旋、消旋酶等。等。n1.21.2非水相非水相酶催化催化非水相非水相酶催化反催化反应对一些一些传统化学催化化学催化困困难的的过程具有重要意程具有重要意义。n通通过改改变溶溶剂和相条件，可以得到不同空和相条件，可以得到不同空间结构和光学特性的聚合物。尽管非水相体系构和光学特性的聚合物。尽管非水相体系有有诸多多优点，但是点，但是酶在有机相中由于分子在有机相中由于分子间键能的能的变化，容易化，容易发生生结构重排而失活。构重排而失活。n为了提高了提高酶活性和使用寿命，可采用化学修活性和使用寿命，可采用化学修饰、表面改性、固定化等多种方法，、表面改性、固定化等多种方法，业已取已取得得显著的成果。著的成果。n1.31.3催化催化剂改造的方法学改造的方法学自然界的自然界的酶都是在自然生理条件下都是在自然生理条件下进化化而来的，当其而来的，当其应用到条件迥然不同的非生理用到条件迥然不同的非生理条件下的工条件下的工业制造制造过程中，往往程中，往往稳定性、活定性、活性或溶液的兼容性差，因此必性或溶液的兼容性差，因此必须对生物催化生物催化剂进行适当改造以适行适当改造以适应实际工程的需要。工程的需要。n酶的改的改进技技术主要集中于以下两种方法：主要集中于以下两种方法：(1)(1)基于基于酶结构和催化机理的理性分子构和催化机理的理性分子设计；(2)(2)基于随机突基于随机突变、DNADNA重排等技重排等技术的定向的定向进化，化，如：易如：易错PCR(Error-pronePCR)PCR(Error-pronePCR)和和DNADNA改改组(DNAshuffling)(DNAshuffling)技技术77。n22功能基因功能基因组学与代学与代谢工程工程代代谢工程是在工程是在对细胞胞(包括微生物、植物、包括微生物、植物、动物乃至物乃至人体人体细胞胞)内代内代谢途径网途径网络系系统分析的基分析的基础上，上，进行定向行定向的、有目的地改的、有目的地改变，以更好地理解和利用，以更好地理解和利用细胞代胞代谢进行行化学化学转化、能量化、能量传递和超分子和超分子组装。代装。代谢工程可在工程可在细胞胞与分子水平上与分子水平上认识和改造和改造细胞胞88。代。代谢工程的核心与功工程的核心与功能基因能基因组密切相关。通密切相关。通过对不同不同细胞菌体胞菌体进行行遗传改改变并并观察察识别所所产生的生理响生的生理响应，代，代谢工程工作者取得工程工作者取得经验并能找出基因并能找出基因组?蛳生理学生理学(或基因型或基因型?蛳表型表型)之之间的的关系，从而关系，从而进一步开展代一步开展代谢工程研究。根据功能基因工程研究。根据功能基因组(转录物物组、蛋白、蛋白质组及代及代谢物物组)信息，可以信息，可以进行代行代谢网网络重建、重建、优化及化及设计，进而通而通过代代谢工程改工程改进细胞菌胞菌体性能体性能99。n33系系统生物学生物学随着后基因随着后基因组时代的到来，代的到来，“系系统生物学生物学”这一学科的重要作用受到特一学科的重要作用受到特别强调。根据系。根据系统生物学生物学原理，充分利用不断增加的基因原理，充分利用不断增加的基因组(序列序列)数据及生数据及生物信息学工具，有机物信息学工具，有机结合合转录组学、蛋白学、蛋白质组学，学，特特别是代是代谢物物组学学进行代行代谢工程研究，工程研究，结合生物信合生物信息学和息学和计算生物学的研究，达到改造和控制算生物学的研究，达到改造和控制细胞性胞性质、提高底物利用及、提高底物利用及产品收率、促品收率、促进工工业生物技生物技术发展的目的。展的目的。n44未来未来发展展趋势的特点的特点世界各国在工世界各国在工业生物技生物技术研研发领域，不域，不仅制定了近期及制定了近期及长远的的发展展规划，划，还在政策和在政策和资金上金上给予予资助。目前工助。目前工业生物技生物技术的的发展展趋势有以下特点：有以下特点：(1)(1)传统的以石油的以石油为原料的化学工原料的化学工业发生生变化，向条件温和、化，向条件温和、以可再生以可再生资源源为原料的生物加工原料的生物加工过程程转移；移；(2)(2)利用生物技利用生物技术生生产有特殊功能、性能、用途或有特殊功能、性能、用途或环境友好境友好的化工新材料，特的化工新材料，特别是利用生物技是利用生物技术可生可生产一些用化学方法无法一些用化学方法无法生生产或生或生产成本高以及成本高以及对环境境产生不良影响的新型材料，如丙生不良影响的新型材料，如丙烯酰胺、壳聚糖等；胺、壳聚糖等；(3)(3)利用生物生利用生物生产工工艺取代取代传统工工艺，如生物可降解高分子，如生物可降解高分子的生的生产；(4)(4)传统的的发酵工酵工业已由基因重已由基因重组菌种取代或改良；菌种取代或改良；(5)(5)生物催化成生物催化成为化工化工产品合成的支柱。品合成的支柱。国外主要工业生物技术领域的研发现状国外主要工业生物技术领域的研发现状n目前，国际范围内的工业生物技术研究开发领域主要集中于生物能源、生物材料和其它生物基产品三大方面。n1生物能源(Bioenergy)生物能源主要包括生物乙醇、生物柴油、沼气、生物制氢等。为保障石油安全，美国、加拿大、欧盟、日本等国家在生物燃油的政策扶植和研发投入方面比较领先，取得了显著的社会效益和经济效益。n22生物材料生物材料(Biomaterial)(Biomaterial)广广义的生物材料可以理解的生物材料可以理解为一切与生物体相关的一切与生物体相关的应用性材料或由生物体合成的材料。按其用性材料或由生物体合成的材料。按其应用可分用可分为生物生物工程材料、生物医用材料和其它生物材料。而按生物材工程材料、生物医用材料和其它生物材料。而按生物材料来源可分料来源可分为天然生物材料和人工生物材料，有些材料天然生物材料和人工生物材料，有些材料兼具天然和人工合成的特性。狭兼具天然和人工合成的特性。狭义的生物材料指生物医的生物材料指生物医用材料，即能用材料，即能够用来制作各种人工器官和制造与人工生用来制作各种人工器官和制造与人工生理理环境相接触的医境相接触的医疗用具和制品的材料。用具和制品的材料。目前，由生物合成的聚乳酸目前，由生物合成的聚乳酸(PLA)(PLA)和聚和聚羟基脂肪酸基脂肪酸酯(PHA)(PHA)是生物材料的典型代表，因其良好的性能及同是生物材料的典型代表，因其良好的性能及同时兼兼具生物工程材料和生物医用材料具生物工程材料和生物医用材料应用特性而成用特性而成为近年来近年来研究最活研究最活跃的两种生物材料。的两种生物材料。n3其它生物基产品(bio-basedproducts)目前，以生物质为原料，运用生物质炼制技术(Biomassrefinery)进行生物加工，可生产大宗化学品、精细化学品、医药中间体和各种清洁能源等，其中包括酶、香料、化妆品、润滑剂、抗生素、杀虫剂、植物生长催化剂、氨基酸、维生素、抗氧化剂以及其它化学制品等。我国工业生物技术发展现状及思考我国工业生物技术发展现状及思考n中国工中国工业生物技生物技术是国是国际上上发展展较早、早、产业规模最大的模最大的领域之一。域之一。n在微生物在微生物资源、基因源、基因组学、蛋白学、蛋白质组学、代学、代谢工工程、程、酶蛋白分子蛋白分子进化等研究化等研究领域呈域呈现出快速成出快速成长的良好的良好势头。n产业技技术水平与水平与产品品产量也呈快速增量也呈快速增长趋势，如，如丙稀丙稀酰胺、谷氨酸、胺、谷氨酸、柠檬酸、檬酸、维生素生素C C、青霉素、青霉素等等产品的品的产量已量已进入世界的前例；又如丙稀入世界的前例；又如丙稀酰胺、胺、维生素生素C C、1,6-1,6-二磷酸二磷酸-果糖、黄原胶、果糖、黄原胶、L-L-苹果酸苹果酸等等产品的技品的技术水平已达国水平已达国际先先进或或领先；在生物先；在生物能源方面也取得了能源方面也取得了较大的大的进展，如目前我国酒精展，如目前我国酒精产量量为300300多万吨，多万吨，仅次于巴西、美国列世界第次于巴西、美国列世界第三。三。n但是我国生物技但是我国生物技术的研究和的研究和产业技技术总体水平与体水平与世界先世界先进水平仍有水平仍有较大的差距，国外代大的差距，国外代谢工程菌工程菌的工的工业化成功例子化成功例子虽然不多，但在我国尚无一例然不多，但在我国尚无一例代代谢工程菌株工程菌株进入中入中试试验。n由于国外已由于国外已积累了累了较丰富的构建及使用代丰富的构建及使用代谢工程工程菌株的菌株的经验，未来，未来5 5年内年内预期将会有一批期将会有一批产品至品至少在中少在中试规模用工程菌生模用工程菌生产。n我国相关大学和研究机构我国相关大学和研究机构虽已开展了一些微生物已开展了一些微生物功能基因功能基因组、代、代谢工程等的研究，但大多数研究工程等的研究，但大多数研究仍停留在前期的仍停留在前期的单基因操作基因操作阶段，而生物能源、段，而生物能源、生物材料和精生物材料和精细化学品的生物制造的研究和技化学品的生物制造的研究和技术水平落后于水平落后于发达国家。达国家。n无无论是原始是原始创新的基新的基础研究，研究，还是技是技术创新性研新性研究，整体水平都落后于究，整体水平都落后于发达国家，因此急需加达国家，因此急需加强与工与工业生物技生物技术相关的相关的应用基用基础和技和技术开开发的研的研究。究。工业生物技术发展空间工业生物技术发展空间提升提升传统产业生物能源生物能源环境生物技境生物技术生物材料生物材料底物底物检测控控制制仪表表培养基培养基（灭菌）菌）经加工加工原料原料酶细胞胞生物催化生物催化剂（游离或固定化）（游离或固定化）机械能机械能除除菌菌空气空气产品提取品提取纯化化副副产品品产品品废物物热能能原材料原材料营养物养物典型工典型工业生物技生物技术过程程核心技核心技术？生物催化生物催化（Biocatalysis)n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。生物转化（Biotransformation)生物催化生物催化化学工化学工业发酵工酵工业轻工工业采采矿医医药食品食品能源能源材料材料生物安全生物安全环境境生物催化是工生物催化是工业生物技生物技术的核心技的核心技术以生物催化法合成的主要以生物催化法合成的主要产品品 产品名称产量丙烯酰胺10万吨/年聚乳酸1.3万吨/年阿斯巴甜2万吨/年生物柴油与汽油1000万吨/年抗菌素中间体6APA0.9万吨/年趋势判断和需求分析趋势判断和需求分析 生物催化生物催化剂在精在精细化学品市化学品市场中呈中呈现强劲的增的增长势头。到到2020年，通年，通过生物催化技生物催化技术，将，将实现化学工化学工业的原料消耗、水的原料消耗、水资源消耗、能量消源消耗、能量消耗降低耗降低30%，污染物的排放和染物的排放和污染染扩散减少散减少30%。趋势判断和需求分析判断和需求分析n目前生物催化技目前生物催化技术已成已成为各公司争各公司争夺的目的目标并且已成并且已成为一些公司一些公司谋求求发展和提升地位的展和提升地位的工具工具。nDegussa、DSM、Roche、BASF、Dow、Lonza等等许多跨国公司都在多跨国公司都在积极采取措施，极采取措施，扩大他大他们在生物催化在生物催化领域里的生域里的生产能力。能力。生物催化生物催化发展的主要推展的主要推动力力新新产品需求品需求(社会社会压力力)-健康：医健康：医药、检测-日用品：洗日用品：洗涤用品、乳品、生物可降解塑料用品、乳品、生物可降解塑料环境境(法律法法律法规压力力)绿色化学、能源、温室效色化学、能源、温室效应新新发现或基或基础研究研究(技技术压力）力）基因工程基因工程/定点突定点突变/定向定向进化、代化、代谢工程、工程、组合化学合化学 得益得益/成本降低成本降低(商商业压力力)-生物分离生物分离The Biocatalysis Cycle产产 物物底底 物物2.2.生物催化剂改造的方法学生物催化剂改造的方法学关键科学问题关键科学问题生物催化剂生物催化剂1.1.生物催化剂多样性及其实现方法生物催化剂多样性及其实现方法4.4.生物催化剂适应性原理生物催化剂适应性原理5.5.重要催化重要催化反应体系反应体系3.3.生物系统催化的理论和方法生物系统催化的理论和方法初步建立生物催化和转化的理论体系初步建立生物催化和转化的理论体系初步建立生物催化和转化的理论体系初步建立生物催化和转化的理论体系发展一批有自主知识产权的基础技术发展一批有自主知识产权的基础技术发展一批有自主知识产权的基础技术发展一批有自主知识产权的基础技术发展数个重要合成途径和相关专利技术发展数个重要合成途径和相关专利技术发展数个重要合成途径和相关专利技术发展数个重要合成途径和相关专利技术多样性（关键问题 1）课题课题1 1：生物催化剂多样性的：生物催化剂多样性的研究及数据库建设研究及数据库建设催化剂改造（关键问题 2）课题课题2 2：生物催化剂改造方法：生物催化剂改造方法学的基础与应用研究学的基础与应用研究系统催化(关键问题 3)课题课题3 3：生物系统：生物系统催化的理论和方法催化的理论和方法适应性原理(关键问题 4)课题课题4 4：生物催化：生物催化剂和人工环境互适剂和人工环境互适应原理以及适于生应原理以及适于生物制造工程集成新物制造工程集成新方法的研究方法的研究课题课题8 8：非水相不对：非水相不对称催化特性称催化特性课题课题6 6：糖苷酶及其：糖苷酶及其催化反应特性催化反应特性课题课题5 5：腈水合反应：腈水合反应和腈水解反应的方法和腈水解反应的方法学及催化机理学及催化机理课题课题7 7：生物催化氧：生物催化氧化还原过程基本问题化还原过程基本问题的研究的研究生生物物制制造造(生物学、化学和工程学的交叉生物学、化学和工程学的交叉)关键理论和基本方法关键理论和基本方法重要生物催化体系重要生物催化体系催化剂资源催化剂资源工程优化工程优化催化剂改造催化剂改造生物催化生物催化剂工程的目工程的目标 n开开发生物催化生物催化剂：催化性能更好、更快，成：催化性能更好、更快，成本更低本更低n开开发生物催化生物催化剂工具合：催化反工具合：催化反应更广泛，更广泛，功能更多功能更多样 n改善性能改善性能:稳定性定性,活性，溶活性，溶剂兼容性兼容性n开开发分子模型分子模型:新新酶的快速重新的快速重新设计n创造新技造新技术:用于新生物催化用于新生物催化剂的开的开发 生物催化生物催化剂发展的工展的工业展望展望CompetitiveImperativeCurrentChemicalVarietiesCurrentBiocatalystsBiocatalystoftheFutureSpeedtoMarket2-5years10years2-3yearsCosttoManufacture$1-10/kg$10-100/kg$1-3/kgRangeofProductsBroadNarrowBroad生物催化生物催化剂工程技工程技术瓶瓶颈n对生物催化生物催化剂作用机理缺乏深入的作用机理缺乏深入的认识n对次次级代代谢产物代物代谢途径（包括途径途径（包括途径间相互相互关系）缺乏理解关系）缺乏理解n细胞工程化的方法十分有限（即代胞工程化的方法十分有限（即代谢工程）工程）n生生产酶和和辅因子的成本因子的成本过高高当前生物催化的研究热点当前生物催化的研究热点n n新酶或已有酶的新功能的开发新酶或已有酶的新功能的开发n n根据已有底物开发新的酶反应根据已有底物开发新的酶反应n n利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能n n利用重组利用重组DNADNA技术大规模生产生物催化剂技术大规模生产生物催化剂n n利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系n n体内或体外合成的多酶体系体内或体外合成的多酶体系n n克服底物和产物抑制克服底物和产物抑制n n精细化工品或医药合成技术的放大精细化工品或医药合成技术的放大n n辅因子再生辅因子再生n n生物催化剂的修饰生物催化剂的修饰n n生物催化剂的固定化生物催化剂的固定化生物催化生物催化剂高效生高效生产与催化功能研究与催化功能研究n n强化微生物细胞培养与发酵的调控措施，研究酶的诱导策略n n实现生物催化剂的自主和规模生产n n分析生物催化剂所催化的特定基团开辟全新的生物催化反应第二节第二节 研究内容研究内容 n一概念：n二酶学研究简史n三研究内容一一 概念：概念：n酶工程（EnzymeEngineering）n从应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的边缘科学。酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂。定义定义：酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。酶具有一般催化剂的特征酶具有一般催化剂的特征：1.只能进行热力学上允许进行只能进行热力学上允许进行的反应；的反应；2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；反应的平衡点；3.通过降低活化能加快化学反应速度。通过降低活化能加快化学反应速度。酶的催化高效性酶的催化高效性通常要高出非生物催化剂催化活性的1061013倍。2H2O22H2O +O21mol过氧化氢酶过氧化氢酶 5106 molH2O21mol离子铁离子铁 610-4molH2O21.1 酶的定义酶的定义回本章目录生物催化生物催化剂的的发现微生物微生物n可培养微生物可培养微生物酶资源的开源的开发利用利用n不可培养微生物不可培养微生物酶资源的开源的开发利用利用基因基因n已知基因的克隆已知基因的克隆n未知基因的克隆未知基因的克隆二二.酶学研究简史酶学研究简史n1878德国的Kuhne定义Enzyme原意为在酵母中n1926美国的Sumner从刀豆中得到脲酶结晶（1947年诺贝尔奖）n1970美国的Smith发现限制性内切酶（1979年诺贝尔奖）n1969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。酶工程诞生n1986美国核酶发现获得诺贝尔奖1.2 酶的发现及研究历史酶的发现及研究历史n人们对酶的认识起源于生产与生活实践。n夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。n公元前12世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。n春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。n酶者，酒母也酶酒n西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究。直到1897年，德国巴克纳Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液，并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活动无关。从而说明了发酵是酶作用的化学本质，为此Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。n1896年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得高峰淀粉酶,用作消化剂,开创了有目的的进行酶生产和应用的先例。n1878年,给酶一个统一的名词，叫EnzymeEnzyme，这个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。n后来对酶的作用机理及酶的本质做了深入研究，n1930年，证实酶是一种蛋白质；n80年代初发现了具有催化功能的RNA核酶(ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域，n现已鉴定出4000多种酶，数百种酶已得到结晶，而且每年都有新酶被发现。n1908年,德国的罗姆制得胰酶,用于皮革的软化。n1908年,法国的波伊登(Boidin)制备了细菌淀粉酶,应用于纺织品的退浆。n1911年,美国的华勒斯坦(Wallestein)制得木瓜蛋白酶,用于除去啤酒中的蛋白质浑浊。n此后,酶的生产和应用逐步发展。然而在50年代以前停留在从微生物，动物或植物中提取酶,加以利用阶段.由于当时生产力落后,生产工艺较繁杂,难以进行大规模工业化生产。酶的应用历史酶的应用历史n1949年,用液体深层培养法进行细菌淀粉酶的发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕。n50年代以后,随着生化工程的发展,大多数酶制剂的生产已转向微生物流体深层发酵的方法。酶的应用越来越广泛。n50年代：开始了酶固定化研究。1953年德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂与淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定化酶。n60年代，是固定化酶技术迅速发展的时期。1969年,日本的千烟一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸。出现了“酶工程”这个名词来代表有效利用酶的科学技术领域。n1971年第一届国际酶工程学术会议在美国召开,当时的主题即是固定化酶，进一步开展了对微生物细胞固定化的研究。n1973年,千烟一郎首次利用固定化的大肠杆菌细胞生产L-天冬氨酸。n1978年,日本的铃木等固定化细胞生产 -淀粉酶研究成功.所以说,70年代是固定化细胞技术取得进展的时期.n80年代，固定化细胞已能用于生产胞外酶,因此,80年代又发展了固定化原生质体技术,排除了细胞壁这一障碍。n在酶的固定化技术发展的同时,酶分子修饰技术也取得了进展。n60年代，用小分子化合物修饰酶分子侧链基团,使酶性质发生改变;n70年代,修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的发展。n此外,对抗体酶,人工酶,模拟酶等方面,以及酶的应用技术研究,在近20年均取得了较大进展,使酶工程不断向广度和深度发展,显示出广阔而诱人的前景。回本章目录1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee,EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：1.3 酶的分类与命名酶的分类与命名nEC分类的六大类酶n1.氧化还原酶类：催化氧化还原反应。n2.转移酶类：催化分子基团从一个分子转移到另一个分子。n3.水解酶类：催化水解反应。n4.裂解酶类n5.异构酶类n6.连接酶类或合成酶类。EachenzymeisnowclassifiedandnamedaccordingtotheEachenzymeisnowclassifiedandnamedaccordingtothetype of chemical reaction it catalyzestype of chemical reaction it catalyzes.Soanenzymeis.Soanenzymeisassignedaassignedafour-number classificationfour-number classificationandaandatwo-part two-part namename calledacalledasystematicnamesystematicname.Inadditionrecommended.InadditionrecommendednameissuggestedbyIUBforeverydayuse.nameissuggestedbyIUBforeverydayuse.E.C.X.X.X.XE.C.X.X.X.X乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号酶的命名有两种方法：系统名系统名、惯用名惯用名。系统名系统名：包括所有底物的名称和反应类型。乳酸+NAD+丙酮酸+NADH+H+乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶惯用名惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。n氧化氧化-还原原酶催化氧化催化氧化-还原反原反应。n主要包括脱主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。n如乳酸如乳酸(Lactate)(Lactate)脱脱氢酶催化乳酸的脱催化乳酸的脱氢反反应。(1)(1)氧化氧化还原原酶OxidoreductaseOxidoreductasen转移移酶催化基催化基团转移反移反应，即将一个底物分子的基，即将一个底物分子的基团或原子或原子转移到另一个底物的分子上。移到另一个底物的分子上。例如，例如，谷丙谷丙转氨氨酶催化的氨基催化的氨基转移反移反应。(2)(2)转移移酶TransferaseTransferasen水解水解酶催化底物的加水分解反催化底物的加水分解反应。n主要包括淀粉主要包括淀粉酶、蛋白、蛋白酶、核酸、核酸酶及脂及脂酶等。等。n例如，脂肪例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反催化的脂的水解反应：(3)(3)水解水解酶hydrolasehydrolasen裂合裂合酶催化从底物分子中移去一个基催化从底物分子中移去一个基团或原或原子形成双子形成双键的反的反应及其逆反及其逆反应。n主要包括主要包括醛缩酶、水化、水化酶及脱氨及脱氨酶等。等。n例如，例如，延胡索酸水合延胡索酸水合酶催化的反催化的反应。(4)(4)裂合裂合酶LyaseLyasen异构异构酶催化各种同分异构体的相互催化各种同分异构体的相互转化，即底物分化，即底物分子内基子内基团或原子的重排或原子的重排过程。程。例如，例如，6-6-磷酸葡萄糖异构磷酸葡萄糖异构酶催化的反催化的反应。(5)(5)异构异构酶IsomeraseIsomerasen合成合成酶，又称，又称为连接接酶，能，能够催化催化C-CC-C、C-OC-O、C-NC-N以及以及C-SC-S键的形成反的形成反应。这类反反应必必须与与ATPATP分解分解反反应相互偶相互偶联。nA+B+ATP+H-O-H=AA+B+ATP+H-O-H=AB+ADP+PiB+ADP+Pin例如，丙例如，丙酮酸酸羧化化酶催化的反催化的反应。丙丙酮酸酸+CO2 草草酰乙酸乙酸(6)(6)合成合成酶LigaseorSynthetaseLigaseorSynthetase（一）酶的化学本质（一）酶的化学本质1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNAribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。酶的化学性质与催化特性酶的化学性质与催化特性（二）酶的组成（二）酶的组成酶单纯酶单纯酶结合酶结合酶（全酶）=酶蛋白+辅因子辅因子辅因子辅酶辅酶 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。辅基辅基 与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物。金属激活剂金属激活剂 金属离子作为辅助因子。酶的催化专一性主要决定于膜蛋白部分。酶的催化专一性主要决定于膜蛋白部分。辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。（三）单体酶、寡聚酶和多酶复合物（三）单体酶、寡聚酶和多酶复合物1.单体酶（单体酶（monomeric enzyme)：仅有一条具有活性部位的多肽链，全部参与水解反应。2.寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：由几个或多个亚基组成，亚基牢固地联在一