酶工程教学课件ppt 酶工程绪论

酶工程 Enzyme Engineering 绪论绪论 一酶工程概念 二酶工程的研究内容 三酶工程的发展概况 四酶工程是生物技术的的重要组成 部分 1、 酶的概念 酶(enzyme)是生物细细胞产产生的、具有催化 能力的生物催化剂剂。 一、 酶工程概念 -它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催化物质。 -从此意义上讲，没有酶就没有生命。 -探讨酶的本质和发展问题是酶学研究的内容。 酶包括： （1）Enzyme proteins 酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质（ 2）Ribozyme RNAs 本身就是一段RNA，不需要额外的蛋白酶就可以 对自身进行剪切。 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。 2、酶工程（ Enzyme Engineering）概念 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。 酶工程是酶制剂的大批量生产和应用的技术， 它从应用的目的出发，将酶学理论与化学工程相 结合，并在一定的反应装置中利用酶的催化特性 ，将原料转化为产物的一门新技术。 酶工程 酶制剂大批 量生产技术 研究 酶制剂应 用的技术 研究 二、 酶工程的研究内容 1. 酶的产生 微生物酶制剂 选育优良菌株、研 制基因工程菌、优 化发酵条件 动物酶制剂 提取条件研 究 植物酶制剂 提取条件研 究 酶工程研究的内容酶工程研究的内容 酶工程研究的内容 2、酶的分离纯化及鉴定技术： 酶的分离提纯技术是当前生物技术“后处 理工艺”的核心。采用各种分离提取技术， 从微生物细胞及其发酵液中，提取高活性 的不同纯度的酶制剂，重点是研究新的分 离提纯技术。 3、酶和细胞固定化： 酶和细胞固定化研究是酶工程的中心任务。 为了提高酶的稳定性，重复使用酶制剂，扩大酶 制剂的应用范围，采用各种固定化方法对酶进行 固定化，制备了固定化酶，如固定化葡萄糖异构 酶、固定化氨基酰化酶等，测定各种固定化酶的 各种性质，并对固定化酶作各种应用和开发研究 。 目前，固定化酶仍具有强大的生命力，它受到生 物化学、化学工程、微生物、高分子、医学等领 域的高度重视。 酶工程研究的内容 4、酶分子改造：又称为酶分子修饰。 为了提高酶的稳定性，降低抗原性，延长药用酶在机体内的半 衰期，采用各种修饰方法对酶分子结构进行改造，以便创造 出天然酶所不具备的某些优良特性（如较高的稳定性、无抗 原性、抗蛋白酶水解等），甚至于创造出新的酶活性，扩大 酶的应用，从而提高酶的应用价值，达到较大的经济效益和 社会效益。 改造包括（A）用蛋白质工程技术对酶分子结构基因进行改造 ，希望获得一级结构和空间结构较为合理的具有优良特性、 高活性的新酶（突变酶）。（B）用化学法或酶法改造酶蛋白 的一级结构，或者用化学修饰法对酶分子中侧链基团进行修 饰，以便改变酶学性质。 5、有机介质中的酶反应： 由于酶在有机介质中的催化反应具有许多优点，因 此，近年来酶在有机介质中催化反应的研究，成为 酶工程中一个新的发展方向。酶在有机介质中要呈 现很高的活性，必须具备哪些条件？有机介质对酶 的性质有哪些影响？如何影响的？近年来，对这些 问题的研究，已取得重要进展。 酶工程研究的内容 6、酶的传感器：又称为酶电极。 酶电极是由感受器（如固定化酶）和换能器（ 如离子选择性电极）所组成的一种分析装置， 用于测定混合物溶液中某种物质的浓度。其研 究内容包括：酶电极的种类、结果与原理；酶 电极的制备、性质及应用。 酶工程研究的内容 酶反应器的类型、 特性，设计和制造 ，应用等 7、酶反应器 酶工程研究的内容 8 8、抗体酶、核酶和人工模拟酶：、抗体酶、核酶和人工模拟酶： 抗体酶是一类具有催化活性的抗体。是抗体的高 度专一性与酶的高效催化能力二者巧妙结合的产 物。 研究内容是：抗体酶的制备、结构、特性、作用 原理、催化反应类型、应用等。 酶工程研究的内容 人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋 白质，据1977年Dhar等人报道，人工合成的 Glu-Phe-Ala-Glu-Glu-Ala-Ser-Phe八肽具有溶 菌酶的活性。其活性为天然溶菌酶的50。 利用有机化学合成的方法合成了一些比酶结构 简单得多的具有催化功能的非蛋白质分子，这 些物质分子可以模拟酶对底物的结合和催化过 程，既高效又能够克服酶的不稳定性。这样的 物质分子称为模拟酶。目前用环状糊精已成功 地模拟了胰凝乳蛋白酶等多种酶。 9 9、酶的应、酶的应 用技术用技术 食品工业食品工业 发酵工业发酵工业 纺织、皮革纺织、皮革 工业工业 医学行业医学行业 能源开发以及能源开发以及 环境工程行业环境工程行业 酶工程研究的内容 三、酶工程的发展概况 1、酶学理论方面 不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴糖、治病 酶学的产生: 消化与发酵现象 酶学的迅速发展： 1926年，美国康乃尔大学的“独臂学者” Sumner （萨姆纳）博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证 明具有蛋白质的性质。并获得1946年的诺贝尔奖 。 1930年，美国的生物化学家Northrop、 Stanley 分离得到了胃蛋白酶（pepsin）、胰蛋白酶（ trypsin）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）结晶 ，确立了酶的化学本质。 酶学理论研究 1890年，Fisher锁钥学说。 1902年，Henri中间产物学说。 1913年， Michaelis 和 Menten米氏学说。 1958年， Koshland诱导契合学说。 1960年，Jacob 和 Monod操纵子学说。 酶学研究领域中的诺贝尔奖获得者 1、1907德国化学家布赫纳发现无细胞发酵现象 2、1929年英国生化学家亚瑟哈登发酵机理的研究 3、1946年萨姆纳、诺思罗普、斯坦利揭露酶是蛋 白质 4、1989年切赫和阿尔特曼打破酶是蛋白质的传统 观念 5、1997美国科学家博耶、D.Boyer、英国科学家 沃克尔、丹麦科学家斯科揭示了ATP合成酶的作 用机制 诺贝尔化学奖 1、1975美国的特明和巴尔蒂莫尔发现了 逆转录酶 2、1978年瑞典的阿尔伯、美国的内森斯 和史密斯 限制性内切酶的发现和应用 3、2009年三位美国科学家伊丽莎白布莱 克本、卡萝尔格雷德、杰克绍斯塔克发现 了端粒和端粒酶保护染色体的机理。 诺贝尔生理或医学奖 酶学研究领域中的诺贝尔奖获得者 （1）新酶的发现和鉴定 发现有25000多种酶，数千种 酶已鉴定，数百种酶得到了 结晶，并测出了一级结构， 每年都有新酶发现。 （2）酶一级结构与活力 的关系 过去主要用化学修饰的方法 研究酶一级结构与活力的关 系 （3）酶分子高级结构的 测定 多维核磁共振技 术研究 X射线晶体结 构分析法 （4）酶活性部位结构及催化机理的研究，这是酶学 研究最核心的问题。 （5）Ribozyme的发现，过去认为，酶是由活细胞产 生的具有催化作用的蛋白质，近年来，发现生物体 中的一些RNA和DNA也具有催化作用，具有酶的类 似性质，被称为Ribozyme（核酶）。Ribozyme是 生物催化剂，可切割特异性RNA序列的RNA分子。 这一重大的发现，对于生命起源和生物进化的研究 ，对于基因、病毒和肿瘤的治疗，具有重大的意义 。 采用生物体生产酶剂是从19世纪末开始的 。 1894年，日本的高峰让吉首先从米曲 霉中制备得到高峰淀粉酶，用作消化剂， 开创了近代酶的生产和应用的先例。 1908年，德国的罗姆（Rohm)从动物 胰脏中制得胰酶，用于皮革的软化； 2、酶的应用方面 1908年，法国的波伊登制备得到细菌淀 粉酶，应用于纺织品的退浆； 1911年美国的华勒斯坦制成木瓜蛋白酶 ，用于除去啤酒中的蛋白质浑浊。此后， 酶的生产和应用逐步发展。 1949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。50年代 以后，随着生化工程的发展，大多数酶制剂的生 产已转向微生物液体深层发酵的方法。 1960年，法国的雅各和莫诺德提出操纵子学 说，阐明了酶生物全面的调节机制。使酶的生物 合成可以按照人们的意愿加以调节控制。通过酶 的诱导和解除阻遏，可以显著地提高酶的产量。 20世纪80年代迅速发展起来的动、植物细胞培 养技术。植物细胞、动物细胞都可以如同微生物细 胞一样，在人工控制条件的生物反应器中进行培养 ，通过细胞的生命活动，得到人们所需的各种产物 ，其中包括各种酶。 例如，通过植物细胞培养可以获得超氧化物歧化酶 、木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、过氧化物酶、糖 苷酶、糖化酶等。通过动物细胞培养可以获得血纤 维蛋白酶原活化剂、胶原酶等。 1953年，德国的格鲁布霍费和施来斯首先将聚 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。 学者们开始用“酶工程”这个新名词来代表有 效地利用酶的科学技术领域。1971年第一次国际 酶工程学术会议在美国召开，当时压倒的主题是 固定化酶。 此后，为了省去酶的分离纯化过程，出现了固 定化菌体（固定化死细胞）技术。 1973年日本在工业上成功地利用固定化大肠杆 菌菌体中的天门冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生 产L-天门冬氨酸。 现在已经有多种固定化酶用于大规模工业化生 产。例如，利用固定化葡萄糖异构酶由葡萄糖生 产果葡糖浆；利用固定化青霉素酰化酶生产半合 成青霉素或头孢霉素；利用固定化-半乳糖苷酶 生产低乳糖奶等。 在此基础上，70年代后期，出现了固定化细 胞（又称固定化活细胞或固定化增殖细胞）技 术。固定化细胞是指固定在载体上，在一定的 空间范围内进行生命活动（包括生长、增殖、 新陈代谢）的细胞，可以反复或连续使用在发 酵生产上。 1978年，日本的铃木等人用固定化细胞生产- 淀粉酶研究成功。此后用固定化细胞生产蛋白酶、 糖化酶、溶菌酶、天冬酰胺酶、果胶酶等的研究蓬 勃展开。然而，固定化细胞只能用于生产胞外酶等 容易分泌到细胞外的产物。对于胞内酶及其他胞内 产物的生产必须采用80年代中期才发展起来的固定 化原生质体技术。 1986年开始，华南理工大学生物工程研究所用 固定化原生质体发酵生产碱性磷酸酶、葡萄糖氧化 酶、谷氨酸脱氢酶等的研究相继取得成功，为胞内 酶的连续生产开辟了崭新的途径。 20世纪80年代以来，酶分子修饰技术发展很快， 修饰的方法主要有：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。通过酶分子修饰， 可以提高酶活力，增加酶的稳定性，消除或降低酶 的抗原性等， 尤其是20世纪80年代中期发展起来的蛋白质工程 ，已把酶分子修饰与基因工程技术结合在一起。通 过基因定位突变技术，可把酶分子修饰后的信息储 存于DNA之中，经过基因克隆和表达，就可以通过 生物合成的方法获得具有新的特性和功能的酶。 1984年，克利巴诺夫（Klibanov) 等人进行了有 机介质中酶的催化作用的研究，发现脂肪酶在有机介 质中不但具有催化活性，而且还具有很高的稳定性。 改变了酶只能在水溶液中进行催化的传统概念。 与水溶液中酶的催化相比，酶在有机介质中的催 化具有提高非极性底物或产物的溶解度、进行在水溶 液中无法进行的合成反应、减少产物对酶的反馈抑制 作用、提高手性化合物不对称反应的对映体选择性等 显著特点。 近20多年来，在酶和细胞固定化技术发展的同 时，其他的酶分子修饰技术也不断发展。此外， 核酶、抗体酶、酶的化学合成、人工模拟，以及 各种酶的应用技术的研究，使酶工程已经成为生 物工程的主要内容。今后将不断地向广度和深度 发展，显示出广阔而诱人的前景。 3、国内外生产概况 国外： 55左右是水解酶，主要用于焙烤、酿酒 、淀粉加工、酒精和纺织工业；35是蛋 白酶，主要用于洗涤、制革和乳品工业； 其它药用酶、试剂酶、工具酶等。 国际市场酶制剂销售额比例 20012001年工业酶制剂的世界市场约为年工业酶制剂的世界市场约为1616亿美元亿美元 用于制药工业与精细化学工业约用于制药工业与精细化学工业约1.21.2亿亿1.51.5亿美元亿美元 国内： 1965年在无锡建厂，生产糖化酶。 80年代迅猛发展，主要是糖化酶。 目前国内市场，糖化酶约70，蛋白酶16 。 我国酶工业发展阶段我国酶工业发展阶段 (1) 1965 无锡酶制剂厂（星达生物工程有限公司） 淀粉酶 (2) 1979 糖化酶 (3) 1990 碱性蛋白酶 (4) 1992 中性蛋白酶 (5) 1995 耐高温淀粉酶 (6) 1998 国外大公司纷纷入驻 1999年投产 (7) 2006 酶制剂进入了全新的发展阶段 （高档次、高活性、高质量、高水品） 国内酶制剂销售额比例国内酶制剂销售额比例 世界上酶生产厂商有70多家，其中较大的有25家, 最大的8家酶制剂生产厂商是： （1） Novo Nordisk （丹麦） （2） Genencor International （美国） （3） Cultor （芬兰） （4） Gist Broccdes（荷兰） （5） Solvay （比利时） （6） Clr Hansen （丹麦） （7） Rhone Ponlene （法国） （8） Quest （荷兰） 国内外差别： 国内资金和技术力量不足，产酶水平与国 外差距很大。 酶的品种和品系存在差距。 生产设备落后，管理水平低。 我国酶制剂产业存在的问题： （1）技术研究与开发滞后； （2）行业和企业规模小而分散； （3）市场调查能力弱； （4）产品结构不合理、技术含量低； （5）应用的深度与广度不够； （6）产品品级低等。 我国酶制剂工业的若干对策建议 (1)走集约化、规模化经营 (2)加大科研投入 (3)发展具有自己知识产权的新技术 (4)调整产品结构、大力开发新品种 杰能科:占中国纺织酶制剂市场的三分之一 美国杰能科公司是一家高科技、多元化生物技术跨国公司，也 是纺织品酶制剂的专业公司。公司成立于1989年，是全球第 二大工业酶制剂生产厂商，有1500名员工，总部在美国，亚 太总部在新加坡。2003年杰能科公司的全球销售额为3.8亿美 元，产品覆盖纺织加工，粮食加工和洗涤剂三大领域。用于纺 织加工的产品包括：退浆酶，Opti?size和OptisizeHT系列； 基因改性纤维素酶，IndiAgeMax和IndiAgeSuper系列；全 纤维素酶，Primifast系列，去双氧水酶，CatalastT100和 OxygonePlus，蛋白酶，ProtexOXG。 1999年，杰能科公司的酶制剂正式进入中国市场，酶制剂特 别是各种不同品种的纤维素酶的使用，改变了中国牛仔裤加工 中单一的处理风格，大大提高了产品档次，无论是产品的高对 比度，低背面沾色的基因改性纤维素酶，还是起花速度快的全 纤维素酶，都给使用者提供了极大的灵活性，使纺织工程师变 成了艺术家，不断整理出风格迥异的牛仔裤。 在提倡环保的时代，杰能科公司适时推出了低温纤维素酶， 使后整理的温度降低了约15-20，特别是LASET100去双 氧水酶工艺代替了传统的化学去双氧水法，使针织布染色过 程的用水量减少了1/3。2002年推出的Primifast系列产品大 大降低了处理时间和成本，满足了大众的需要。到2003年底 ，杰能科公司在中国纺织酶制剂的市场份额超过了30%，换 句话来形容就是在每3个人穿的牛仔裤中，就有一条是用杰能 科公司的产品整理的。这个数字背后蕴藏着杰能科公司在中 国的艰辛历程以及对中国纺织业的贡献。 目前杰能科公司在中国有员工约200名，有北京、上海 、广州三个办事处及无锡工厂。2005年1月，杰能科公司在 中国无锡的新工厂奠基了，这是杰能科公司迄今为止在海外 的最大的一笔投资，新厂建成后，产品不仅满足国内市场的 需求，而且将出口到全球市场。 世界最大酶制剂企业诺维信在中国的首 个中试工厂投入使用 世界最大酶发酵基地落户太仓 4、酶工程的发展前景 目前，已发现并命名的酶有5000多种，开 发利用的只有150种，其中有价值的仅有60 种左右，而大量生产的只有20种左右，只 占已知酶种的0.4，其中80是水解酶。 酶的应用领域 食品工业 化学工业 医药工业 纺织工业 制革、毛皮工业 感光胶片工业 生物工程 展望 发展多酶系统 用酶工程技术来解决高分子有机废物的处 理 双亲性质使酶催反应应用于化学工业