全细胞催化课件

微生物全细胞催化技术在工业生产中的应用1.定义：全细胞催化是指利用完整的生物有机体(即全细胞、组织甚至个体)作为催化剂进行化学转化，其本质是利用细胞内的酶进行催化。该法是介于发酵法和提取酶催化法之间的一种生物催化技术。2.优点：细胞内完整的多酶体系可以实现酶的级联反应，从而弥补酶法催化中级联催化过程不易实现的不足，提高了催化效率，同时，又省去了繁琐的酶纯化过程，制备更加简单，生产成本更低。生命科学的飞速发展也大大增加了全细胞催化的可行性，如利用DNA重组技术，可使目标酶在不同宿主细胞中大量表达。利用这种分子生物学技术甚至可以修饰宿主细胞的代谢途径，合成复杂的代谢产物。目前，部分已成功运用全细胞催化技术的实例见下表。1.生物柴油的开发

2.手性醇的生产

3.生物转化法合成核苷酸1.生物柴油的开发定义：生物柴油是由动物、植物、或微生物油脂与小分子醇类经过酯交换反应而得到的脂肪酸脂类物质，可以替代柴油作为柴油发动机的燃料。全细胞酶催化合成生物柴油具有效率高，生产成本低，酶对有机溶剂的耐受性强，条件温和、酶用量少、无污染排放，反应后产物易分离，而且具有环境友好性等特点。

日本的YujiShimada等利用Novozym435(Candidaantarctica)脂肪酶在分段反应器中通过流加甲醇生产生物柴油，产品中脂肪酸甲酯的体积分数可以达到93%以上，并且经过100天的反应，酶不会失活。2008年Hama等首次采用重组真菌作全细胞催化剂生产生物柴油。将异孢镰刀菌的脂肪酶基因转化到米根霉进行异源表达，用多孔生物量支架颗粒固定重组米根霉细胞，用于催化甲醇解反应。结果表明，当向反应体系中添加5%水时，不但可以有效阻止甲醇对脂肪酶的失活效应，而且还使部分甘油酯的酰基转移更容易，使用10次后甲酯的产率仍可达94%。表明重组米根霉全细胞催化剂与野生米根霉全细胞催化剂相比，具有更高的甲酯得率且脂肪酶更加稳定。

目前我国酶法生产生物柴油的工作也有重要进展，其中北京化工大学采用自己开发的酵母脂肪酶进行酶法合成生物柴油研究，其生物柴油转化率已达到96%，固定化半衰期达200h以上。用生物酶法制备生物柴油目前存在着一些问题：反应物甲醇容易导致酶失活副产物甘油影响酶反应活性及稳定性酶的使用寿命过短等生物催化合成法是利用生物代谢过程中产生的酶，选择性的催化底物反应，从而获得高纯度的手性单体。该反应具有反应条件温和、催化效率高、立体区域选择性好，而且可以完成一些普通化学无法进行的反应等特点，受到有机化学家、生物学家及药物学家的极大重视。该酶库中一个成功的例子就是用能同时表达假丝酵母的4-氯-3-羟基丁酸乙酯还原酶基因和巨大芽孢杆菌的葡萄糖脱氢酶基因的重组大肠杆菌催化4-氯代乙酰乙酸乙酯生成S-4-氯-3-羟基丁酸乙酯。在适当的条件下300g/L的4-氯代乙酰乙酸乙酯转化为S-4-氯-3-羟基丁酸乙酯，其摩尔产率96%，而NADP+的酶变率为21600mol/mol。S-4-氯-3-羟基丁酸乙酯是抑制羟甲基戊二酰辅酶A还原酶的重要起始原料，在Kaneka公司已经商业化生产。这种共表达系统也适合于其他NAD(P)H依赖型反应。3.生物转化法合成核苷酸核苷酸是一类在代谢上极为重要的生化物质，除作为DNA、RNA的前体外，还参与细胞的生长代谢、能量的储存和转化、免疫反应及信号传导。近年来随着核酸工业的发展，嘧啶核苷酸作为药物中间体、保健品和食品添加剂的重要性越来越突出。全细胞生物催化法不但能缩短生产周期并简化后提取过程，而且可以通过偶联不同的基因工程菌株，生产多种复杂的核苷酸、核苷糖和寡聚糖。尿嘧啶核苷酸(UMP)是嘧啶核苷酸生物合成中处于结点位置的重要核苷酸，在寡聚糖合成和抗癌药物生产中都是重要的前体物质。在工业上，生物催化法合成UMP通常以乳清酸为底物，利用菌体自身产生的5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)经过乳清酸磷酸核糖转移酶和乳清苷酸脱羧酶的催化作用合成。日本协和发酵公司的研究者把具有德夸菌素抗性、核苷酸酶弱化和温度敏感性的产氨短杆菌KY13505突变菌株用表面活性剂NymeenS-215和甲苯处理使之获得高通透性，在乳清酸用量为20g/L的体系中反应26h，产物UMP达286g/L，这是到目前为止报道的UMP的最高产量。近几年，国内也开展了全细胞生物催化合成UMP的研究。李慧采用链霉素抗性、卡那霉素抗性和产物结构类似物抗性作为筛选手段，对产氨棒杆菌进行离子束和紫外诱变，选育出一株UMP生成能力比出发菌株R248提高7倍的突变株M14，其UMP的转化能力达21g/L。研究表明，采用产氨棒杆菌模式菌株ATCC6872，确立催化反应液的最佳组成为乳清酸、葡萄糖、磷酸根离子、MgCl2和T