酶工程的研究及其應用進展

于洋

長春理工大學生命科學學院

酶工程的研究及其應用進展

于洋

長春理工大學生命科學學院

酶工程是指對酶分子進行研究和人為改造，以便了解、生產和利用酶。文章介紹了酶的分子生物學研究方法，以及酶工程在醫藥、環保和食品工業中的應用。并展望了酶工程的發展前景。

酶工程；基因工程；應用

酶工程是生物技術的重要組成部分。隨著當今國際上對整個生物技術領域的重視，酶工程也到了發展的黃金時期。酶工程也在醫藥開發、環保和食品等行業發揮著日益重要的作用。

1 酶工程研究技術

1.1 酶的分子改造

分子生物學技術將到酶工程帶入一個高速發展的階段【1】。在正常的生物細胞中，由于其內在的活動機制，酶產量的積累是十分有限的。基因工程可以通過對已知相關的酶進行分析，定向的改變酶的性能。比如提高酶的產量、擴大酶的適用范圍以及增強酶的活性等。目前國際上知名的工業酶制劑生產商，生產的酶制劑的菌株絕大部分都是由基因工程改造而來的。

基因工程雖然能夠定向改變酶的活性，但是由于基因工程改變的是酶的核酸序列，對酶的蛋白結構改變有限，因此對酶的活性提高是有限的。不過隨著蛋白質工程進入酶學領域，與基因工程相輔相成的對酶進行改造，提出了蛋白質全新設計的概念。首先根據基因工程分析酶的核酸初始序列，通過三維結構建模分析反饋、調整和修改，最后通過質譜儀等分析設備分析蛋白產物。雖然現在蛋白質工程的研究還處于摸索階段，人們對于蛋白質的高級結構折疊機理研究還不夠透徹，但是，這一新技術的應用前景十分廣闊和誘人。

除了基因工程定向改造和蛋白質全新設計方法以外，酶的分子改造還可以通過人工模擬來完成。將酶的催化活性中心和底物結合位點結合起來組成簡單的化合物，這類化合物不含有氨基酸，所以能夠比天然酶更能適應環境。固氮酶、過氧化氫酶等已經通過此種方法合成。

2 酶工程技術的廣泛應用

得益于現代生物技術的發展，酶工程在實際應用方面也展現出巨大的優勢，比如設備投資小、產品效益大，能源消耗低、產品收率高，環境污染小等。對于一些以往利用化學合成或者發酵生產的產品，特別是一些較難提取的胰島素類似物，酶工程都能展現出巨大的潛能。現代酶工程技術正在通過采取酶的人工改造、固定化酶等方法，推動整個輕工業的巨大變革。

2.1 酶工程技術在醫藥開發中的應用

在開發新藥方面，除了頭孢菌素Ⅳ、脫乙酰頭孢菌素以及各種氨基酸和有機酸等傳統酶工程藥物之外，近年來科學家通過黃青霉細菌固定化，用來生成頭孢菌素前體物和青霉素。核苷酸類藥物中的腺嘌呤核苷酸可以通過熱水處理產蛋白假絲酵母菌體得到核酸，再經過核酸酶的處理得到[2]。

在醫療研究方面，由于人體對外源性酶產生的免疫排斥反應會導致酶的穩定性變差，難以達到病灶部位，因此酶工程領域中的固定化酶、紅細胞膜包備以及人工細胞等技術在臨床的治療中能起到很關鍵的作用。比如將酶固定在生物膜上組裝成生物反應器，病人血液通過生物反應器來消除致病因子，從而達到治療效果。苯丙酮尿癥可以間接導致兒童的智力障礙，將苯丙氨酸脫氨酶基因從植物中克隆到乳酸菌中，通過日常食用基因重組的乳酸菌在病患兒童的腸道中發揮治療功能。在傳感器方面，由于酶的高效性，可以用來為糖尿病患者的胰島素泵中安裝含酶的血糖傳感器，通過檢測血液中的血糖含量，及時調整胰島素的含量來達到治療目的。

2.2 酶工程技術在環境保護中的應用

在當前社會中，環境污染問題已經成為了制約我國社會發展的重要因素。我國每年排放的廢水廢氣和固體廢棄物已經超過一千億噸，由環境引發的經濟和民生問題成為社會發展的重要負擔。通過酶工程定向改造微生物產酶能在環境保護方面發揮重大作用。例如：脂酶可以分解在石油開采和運輸過程中產生的油脂泄漏、還可以處理固體廢棄物中的含脂廢物。在食品企業的廢水處理中，可以選擇含有蛋白酶、幾丁質酶、果膠酶和脂酶等相關的微生物；在造紙企業的廢水處理中，可以選擇含有木質素酶、纖維素酶和漆酶等相關的微生物；在農藥化肥企業的廢水處理中，可以選擇含有氰化酶、對硫磷水解酶和汞還原酶等相關的微生物。隨著國家政策的支持、國民環保意識的提高和人們科學技術的進步，在可以預期的未來，酶工程必然將在“三廢”處理問題上發揮出巨大的作用。

2.3 酶工程技術在食品工業中的應用

將酶作為食品添加劑，在食品烘烤、生產油脂和制糖工業中改善食品的風味、顏色和品質。在烘烤食品時候，α-淀粉酶可以將淀粉水解、降低面團內部的粘度，提高面團的膨脹率，產生口味上的疏松感；在制作餅干、曲奇等弱面筋力時候，蛋白酶既可以降低面團中的蛋白質含量，又可以提高人體對食品中營養物質的吸收。在油脂生產過程中，一方面脂酶可以對乳酪類物質增香，另一方面也可以通過斷裂油脂中的脂鍵來提高油脂產品的營養價值。在制糖工業中，以玉米、小麥為原料，以葡糖異構酶和淀粉酶為催化劑，能生產出類似蜂蜜的食用混合糖漿。在肉類產品加工過程中，植物性蛋白酶可以降低肉類中的不溶性殘渣，改善肉產品的結構組織，增加鮮度和延長保鮮期。同樣，酶工程還可以應用于生產果汁、果凍和果酒等果蔬制品。

由于酶反應的條件溫和、特異性高、反應速度快，還可以利用酶進行食品檢測。現代酶法分析包括食品組分的酶法測定、食品質量的酶法評價和食品安全衛生等方面[3]。酶法檢測既不需要復雜的原材料處理，又能夠高效、可靠的給出檢測報告。常用的酶法分析包括ELISA和終點滴定法等。

3 酶工程的發展前景

酶工程是生物技術的一個重要組成部分。隨著當今社會生物領域的高速發展，研究酶的分子機理和開發新酶是酶工程發展的重要方向。在當前酶工程的研究中，與人類壽命有關的端粒酶和能夠顛覆傳統的雜交酶都是令人矚目的焦點。

如何讓酶的功能充分發揮、如何提高酶的催化效率和適用范圍一直是酶工程研究的重要課題。與此同時，利用新技術降低酶的使用價格以便推廣這項環保節能的新技術，也是酶工程研究要考慮的重要因素。隨著國家宏觀調控的實施，政府大力支持發展酶工程產業，人們對酶工程的認識加深，都將對當前酶工程的發展起到巨大的推動作用。

[1]居乃琥.2l世紀酶工程研究的新動向[J].工業微生物,2001,31 (1)：37-45.

[2]陳紅霞.酶工程研究及應用[J].化學工程師，2005（9）：29-32.

[3]虞淼，勵建榮.酶制劑在食品加工保鮮與檢測中的應用[J].保鮮與加工，2006（3）：37-39.

于洋（1986—），男，吉林長春人，長春理工大學生命科學學院生物工程系，2005級工學學士，生物工程專業