1、酶工程,Enzyme Engineering 王林嵩,第一章 绪论,第一节酶工程的研究内容 第二节生物催化 第三节 国内外酶制剂工业概况,第一节 研究内容,一概念: 二酶工程研究简史 三研究内容,酶的概念,酶(enzyme)是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂。,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:1.只能进行热力学上允许进行的反应;2.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;3.通过降低活化能加快化学反应速度。,一 概念,酶工程( Enzyme Engineering) 酶的生产、改性与应用的技术过程。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。 这门学科在研究内容、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。,酶的生产(enzyme production)是指通过各种方法获得人们所需的酶的技术过程,主要包括微生物发酵产酶、动植物培养产酶和酶的提取与分离纯化等。,提取分离法,生物合成法,化学合成
2、法,酶的生产方法,酶的生产方法,提取分离法 (Extraction),生物合成 (Biosynthesis),化学合成 (chemical synthesis),SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea organ/tissue/cell,Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus Plant cell culture Animal cell culture,Few example,酶的改性(enzyme improving)是通过各种方法改进酶的催化特性的技术过程,主要包括酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化和酶定向进化等。 酶的应用(enzyme application)是通过酶的催化作用获得人们所需的物质或者除去不良物质的技术过程,主要包括酶反应器的选择与设计以及酶在各个领域的应用等。,酶工程的主要任务是经过预先设计,通过人工操作获得人们所需要的酶,并通过各种方法使酶的催化特
3、性得以改进,充分发挥其催化功能。,化学酶工程 2. 生物酶工程,1 自然酶的开发 2 酶的化学修饰 3 酶的固定化 4 人工合成酶的研究,1 酶基因的克隆表达 2 酶的遗传修饰 3 酶的遗传设计,二 研究内容,研究内容,酶工程的主要内容包括:微生物细胞发酵产酶,动植物细胞培养产酶,酶的提取与分离纯化,酶分子修饰,酶、细胞、原生质体固定化,酶非水相催化,酶定向进化,酶反应器和酶的应用等。,微生物酶源是酶工程研究的源流 以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是革命性导向 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约有10390种,因而在自然界,绝大多数新蛋白酶仍未产生,有待人类去进行人工定向进化,创造开发新酶类。,美国宝洁公司用重组DNA技术获得高活性、高稳定性脂肪酶用于去污剂工业。诺维信公司克隆淀粉酶基因重组工程菌,显著提高了产酶速度及酶量,还构建了耐热淀粉酶及脂肪酶应用于工业生产。,构建新酶是酶工程研究的前沿 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。 抗体酶(Abzyme) 核酶(Ribozyme) 人工合成酶(Sy
4、nzyme)是合成具有催化功能的高聚物分子,分子水平的酶法分析与生物传感器分子酶工程发展了各种生物分析技术。 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的酶促合成的糖工程等。,三. 酶工程研究简史,1894年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制备得到淀粉酶(又称高峰淀粉酶),用作消化剂,开创了近代酶的生产和应用的先例。 此后近半个世纪的时间里,都是停留在从动物、植物或微生物细胞中提取酶并加以应用的阶段。 1916年美国的奈尔森(Nelson)和格里芬(Griffin)发现蔗糖酶吸附在骨炭上后,仍然显示出催化活性。,1949年,日本开始采用微生物液体深层培养方法进行细菌-淀粉酶的发酵生产,揭开了现代酶制剂工业的序幕,发酵工程技术发展使酶的生产得以大规模发展。 1960年,法国的雅各布(Jacob)和莫诺德(Monod)提出操纵子学说,阐明了酶生物合成的调节机制,从而显著提高了酶的产率。,20世纪80年代迅速发展起来的动植物细胞培养技术,继微生物发酵生产酶之后,已成为酶生产的又一种途径。 随着酶生产的发展,酶的应用越来越来广泛。
5、由于酶具有专一性强、催化效率高、作用条件温和等显著的特点,在医学、食品、轻工、能源、环保和科研等领域广泛应用。,1953年,德国的格鲁布霍费(Grubhofer)和施来斯(Schleith)首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化,然后将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶等与上述载体结合,制成固定化酶。1969年,日本的干畑(tin)一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶进行DL-氨基酸拆分而产生L-氨基酸,从此学者们开始用“酶工程”这个名词来代表酶的生产和应用的科学技术领域。 固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪60年代,70年代已在全世界普遍开展 。,在固定化酶的基础上,又发展了固定化细胞(固定化活细胞或固定化增值细胞)技术。1978年,日本的铃木等用固定化细胞生产-淀粉酶研究成功。此后,采用固定化细胞生产蛋白酶、糖化酶、果胶酶、溶菌酶、天冬酰胺酶等的研究相继取得进展。 1986年,我国学者郭勇等采用固定化原生质体生产碱性磷酸酶、葡萄糖氧化酶、谷氨酸脱氢酶等的研究相继成功,为胞内酶的连续生产开辟新途径。,1984年,克里巴诺夫(Klibanov)等进行了有机介质中酶的催化作用的研究
6、,发现脂肪酶在有机介质中不但具有催化作用,而且还具有很高的热稳定性,改变了酶只能在水溶液中进行催化的传统观念。此后,有机介质中酶的催化作用的研究迅速发展。,20世纪80年代以来,酶分子修饰技术发展很快,修饰方法主要有:酶分子主链修饰、酶分子侧链基团修饰、酶分子组成单位置换修饰、酶分子中金属离子置换修饰和物理修饰等。,随着易错PCR(error-prone PCR)技术、DNA重排(DNA shuffling)技术、基因家族重排(gene family shuffling)技术等体外基因随机突变技术以及各种高通量筛选(high-throughout screening)技术的发展,酶定向进化(enzyme directed evolution)技术已经发展成为改进酶催化特性的强有力手段。,酶的定向进化是一种快速有效地改进酶的催化特性(底物特异性、酶活性、稳定性、对映体选择性等)的手段,通过酶的定向进化,有可能获得具有优良特性的酶分子。酶的定向进化技术已经成为酶工程研究的热点。 经过100多年的发展,酶工程已经成为生物工程的主要内容。在世界科技和经济的发展中起重要作用。,生物学,化学工程,
7、工程学,化学,生物工程,生物化学,生物技术,第二节 生物催化,新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生,生物技术,医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 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,生物技术的具体应用,生物技术产业化的三个浪潮,医药生物技术: 1982年重组人胰岛素上市 农业生物技术: 1996年转基因大豆、玉米、油菜相继上市 工业生物技术: 世纪之交聚交酯、生物钢、聚乳酸相继上市,工业生物技术-迈向发达国家之战略,工业生物技术,含意:在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造,这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务 核心目标:大规模利用生物体系(如细胞或酶)作为催化剂实现物质转化,工业生物技术是生物技术的重要组成部分,工业生物技术发展空间,提升传统产业 生物能源 环境生物技术 生物材料,底物,生物反应器,检测控 制仪表,培养基,(灭菌),经加工 原料,酶,细胞,生物催化剂 (游离或固定化),机械能,除 菌,空气,产品提取纯化,副产品 产品 废物,热能,原材料,营养物,典型工业生物技术过程,核心技术?,生物催化
8、(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。,生物转化(Biotransformation),外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化。生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节,是机体维持稳态的主要机制。,生物催化,化学工业,发酵工业,轻工业,采矿,医药,食品,能源,材料,生物安全,环境,生物催化是工业生物技术的核心技术,以生物催化法合成的主要产品,6-氨基青霉烷酸,趋势判断和需求分析,生物催化剂在精细化学品市场中呈现强劲的增长势头。 通过生物催化技术,将实现化学工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗降低30%,污染物的排放和污染扩散减少30%。,趋势判断和需求分析,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 。 Degussa、DSM、Roche、BASF、Dow、Lonza等许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。,生物催化发展的主要推动力,新产品需求 (社会压力) -健康:医药、检测 -日用品:洗涤用品、乳品、生物可降解塑料 环境 (法律法规压力) 绿色化学、能源、温室
9、效应 新发现或基础研究 (技术压力) 基因工程 /定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学 得益/成本降低 (商业压力) -生物分离,The Biocatalysis Cycle,生物催化剂工程的目标,开发生物催化剂:催化性能更好、更快,成本更低 开发生物催化剂工具盒:催化反应更广泛,功能更多样 改善性能: 稳定性, 活性,溶剂兼容性 开发分子模型: 新酶的快速重新设计 创造新技术: 用于新生物催化剂的开发,生物催化剂发展的工业展望,生物催化剂工程技术瓶颈,对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识 对次级代谢产物代谢途径(包括途径间相互关系)缺乏理解 细胞工程化的方法十分有限(即代谢工程) 生产酶和辅因子的成本过高,生物催化剂的发现,微生物 可培养微生物酶资源的开发利用 不可培养微生物酶资源的开发利用 基因 已知基因的克隆 未知基因的克隆,当前生物催化的研究热点,新酶或已有酶的新功能的开发 根据已有底物开发新的酶反应 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能 利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂 利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系 体内或体外合成的多酶体系 克服底物和产物抑制 精细化工品或医药合成技术的放大 辅因子再生 生物催化剂的修饰 生物催化剂的固定化,生物催化剂高效生产与 催化功能研究,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 实现生物催化剂的自主和规模生产 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,酶的基本特性,酶的活性中心(active center),又称活性部位(active site),具有特定空间结构的区域,能与底物特异结合并将底物转化为产物。,(一)酶促反应具有极高的效率,酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍,比一般催化剂高1071013倍。,1mol过氧化氢酶 5106molH2O2 1mol离子铁 610-4molH2O2,活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,一种酶仅作用于一种或一类化合物,或一定的化学键,催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,*
《《酶工程绪论》ppt课件》由会员tia****nde分享,可在线阅读,更多相关《《酶工程绪论》ppt课件》请在金锄头文库上搜索。