酶工程的研究及其应用进展

于洋

长春理工大学生命科学学院

酶工程的研究及其应用进展

于洋

长春理工大学生命科学学院

酶工程是指对酶分子进行研究和人为改造，以便了解、生产和利用酶。文章介绍了酶的分子生物学研究方法，以及酶工程在医药、环保和食品工业中的应用。并展望了酶工程的发展前景。

酶工程；基因工程；应用

酶工程是生物技术的重要组成部分。随着当今国际上对整个生物技术领域的重视，酶工程也到了发展的黄金时期。酶工程也在医药开发、环保和食品等行业发挥着日益重要的作用。

1 酶工程研究技术

1.1 酶的分子改造

分子生物学技术将到酶工程带入一个高速发展的阶段【1】。在正常的生物细胞中，由于其内在的活动机制，酶产量的积累是十分有限的。基因工程可以通过对已知相关的酶进行分析，定向的改变酶的性能。比如提高酶的产量、扩大酶的适用范围以及增强酶的活性等。目前国际上知名的工业酶制剂生产商，生产的酶制剂的菌株绝大部分都是由基因工程改造而来的。

基因工程虽然能够定向改变酶的活性，但是由于基因工程改变的是酶的核酸序列，对酶的蛋白结构改变有限，因此对酶的活性提高是有限的。不过随着蛋白质工程进入酶学领域，与基因工程相辅相成的对酶进行改造，提出了蛋白质全新设计的概念。首先根据基因工程分析酶的核酸初始序列，通过三维结构建模分析反馈、调整和修改，最后通过质谱仪等分析设备分析蛋白产物。虽然现在蛋白质工程的研究还处于摸索阶段，人们对于蛋白质的高级结构折叠机理研究还不够透彻，但是，这一新技术的应用前景十分广阔和诱人。

除了基因工程定向改造和蛋白质全新设计方法以外，酶的分子改造还可以通过人工模拟来完成。将酶的催化活性中心和底物结合位点结合起来组成简单的化合物，这类化合物不含有氨基酸，所以能够比天然酶更能适应环境。固氮酶、过氧化氢酶等已经通过此种方法合成。

2 酶工程技术的广泛应用

得益于现代生物技术的发展，酶工程在实际应用方面也展现出巨大的优势，比如设备投资小、产品效益大，能源消耗低、产品收率高，环境污染小等。对于一些以往利用化学合成或者发酵生产的产品，特别是一些较难提取的胰岛素类似物，酶工程都能展现出巨大的潜能。现代酶工程技术正在通过采取酶的人工改造、固定化酶等方法，推动整个轻工业的巨大变革。

2.1 酶工程技术在医药开发中的应用

在开发新药方面，除了头孢菌素Ⅳ、脱乙酰头孢菌素以及各种氨基酸和有机酸等传统酶工程药物之外，近年来科学家通过黄青霉细菌固定化，用来生成头孢菌素前体物和青霉素。核苷酸类药物中的腺嘌呤核苷酸可以通过热水处理产蛋白假丝酵母菌体得到核酸，再经过核酸酶的处理得到[2]。

在医疗研究方面，由于人体对外源性酶产生的免疫排斥反应会导致酶的稳定性变差，难以达到病灶部位，因此酶工程领域中的固定化酶、红细胞膜包备以及人工细胞等技术在临床的治疗中能起到很关键的作用。比如将酶固定在生物膜上组装成生物反应器，病人血液通过生物反应器来消除致病因子，从而达到治疗效果。苯丙酮尿症可以间接导致儿童的智力障碍，将苯丙氨酸脱氨酶基因从植物中克隆到乳酸菌中，通过日常食用基因重组的乳酸菌在病患儿童的肠道中发挥治疗功能。在传感器方面，由于酶的高效性，可以用来为糖尿病患者的胰岛素泵中安装含酶的血糖传感器，通过检测血液中的血糖含量，及时调整胰岛素的含量来达到治疗目的。

2.2 酶工程技术在环境保护中的应用

在当前社会中，环境污染问题已经成为了制约我国社会发展的重要因素。我国每年排放的废水废气和固体废弃物已经超过一千亿吨，由环境引发的经济和民生问题成为社会发展的重要负担。通过酶工程定向改造微生物产酶能在环境保护方面发挥重大作用。例如：脂酶可以分解在石油开采和运输过程中产生的油脂泄漏、还可以处理固体废弃物中的含脂废物。在食品企业的废水处理中，可以选择含有蛋白酶、几丁质酶、果胶酶和脂酶等相关的微生物；在造纸企业的废水处理中，可以选择含有木质素酶、纤维素酶和漆酶等相关的微生物；在农药化肥企业的废水处理中，可以选择含有氰化酶、对硫磷水解酶和汞还原酶等相关的微生物。随着国家政策的支持、国民环保意识的提高和人们科学技术的进步，在可以预期的未来，酶工程必然将在“三废”处理问题上发挥出巨大的作用。

2.3 酶工程技术在食品工业中的应用

将酶作为食品添加剂，在食品烘烤、生产油脂和制糖工业中改善食品的风味、颜色和品质。在烘烤食品时候，α-淀粉酶可以将淀粉水解、降低面团内部的粘度，提高面团的膨胀率，产生口味上的疏松感；在制作饼干、曲奇等弱面筋力时候，蛋白酶既可以降低面团中的蛋白质含量，又可以提高人体对食品中营养物质的吸收。在油脂生产过程中，一方面脂酶可以对乳酪类物质增香，另一方面也可以通过断裂油脂中的脂键来提高油脂产品的营养价值。在制糖工业中，以玉米、小麦为原料，以葡糖异构酶和淀粉酶为催化剂，能生产出类似蜂蜜的食用混合糖浆。在肉类产品加工过程中，植物性蛋白酶可以降低肉类中的不溶性残渣，改善肉产品的结构组织，增加鲜度和延长保鲜期。同样，酶工程还可以应用于生产果汁、果冻和果酒等果蔬制品。

由于酶反应的条件温和、特异性高、反应速度快，还可以利用酶进行食品检测。现代酶法分析包括食品组分的酶法测定、食品质量的酶法评价和食品安全卫生等方面[3]。酶法检测既不需要复杂的原材料处理，又能够高效、可靠的给出检测报告。常用的酶法分析包括ELISA和终点滴定法等。

3 酶工程的发展前景

酶工程是生物技术的一个重要组成部分。随着当今社会生物领域的高速发展，研究酶的分子机理和开发新酶是酶工程发展的重要方向。在当前酶工程的研究中，与人类寿命有关的端粒酶和能够颠覆传统的杂交酶都是令人瞩目的焦点。

如何让酶的功能充分发挥、如何提高酶的催化效率和适用范围一直是酶工程研究的重要课题。与此同时，利用新技术降低酶的使用价格以便推广这项环保节能的新技术，也是酶工程研究要考虑的重要因素。随着国家宏观调控的实施，政府大力支持发展酶工程产业，人们对酶工程的认识加深，都将对当前酶工程的发展起到巨大的推动作用。

[1]居乃琥.2l世纪酶工程研究的新动向[J].工业微生物,2001,31 (1)：37-45.

[2]陈红霞.酶工程研究及应用[J].化学工程师，2005（9）：29-32.

[3]虞淼，励建荣.酶制剂在食品加工保鲜与检测中的应用[J].保鲜与加工，2006（3）：37-39.

于洋（1986—），男，吉林长春人，长春理工大学生命科学学院生物工程系，2005级工学学士，生物工程专业