酶學(xué)和酶工程研究今后的方向、進(jìn)展、熱點(diǎn)問(wèn)題(已修改)
2025-06-07 22:00 本頁(yè)面
【正文】 酶學(xué)和酶工程研究今后的 方向、進(jìn)展、熱點(diǎn)問(wèn)題 二十一世紀(jì)是生物學(xué)世紀(jì)，將在生物學(xué)領(lǐng)域有所發(fā)明，有所發(fā)現(xiàn)。 在酶學(xué)和酶工程領(lǐng)域會(huì)有哪些進(jìn)展呢 ？ 在 21世紀(jì)國(guó)際酶學(xué)和酶工程若干熱點(diǎn)和前沿課題的研討會(huì)上科學(xué)家提供了一些觀點(diǎn) ， 值得提供給大家 。 一 、 基因工程和蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用 有關(guān)基因工程在酶工程領(lǐng)域的研究文章大量涌現(xiàn)。 運(yùn)用基因工程技術(shù)可以有什么好處？ 改善原有酶的各種性能， 、 、 、 、 ， 。未經(jīng)批準(zhǔn)的微生物產(chǎn)生的酶的基因 。 ， 克隆到安全 的 、 生長(zhǎng)迅速的 、 產(chǎn)量很高的微生物體內(nèi) ， 改由微 生物來(lái)生產(chǎn) 。 拷貝數(shù) ， 來(lái)提高微生物產(chǎn)生的酶的數(shù)量 ． 這一原理已成功地應(yīng)用于酶制劑的工業(yè)生產(chǎn) ． 目前 ， 世界上最大的工業(yè)酶制劑生產(chǎn)廠商丹麥諾維信公司 ， 由原諾和諾德公司酶制劑部獨(dú)立而成 )． 生產(chǎn)酶制劑的菌種約有 80%是基因工程菌 由基因工程發(fā)展起來(lái)的蛋白質(zhì)工程更加吸引人們的廣泛關(guān)注 。 在興起之初 ， 主要采用 定點(diǎn)突變技術(shù) ， 對(duì)天然酶蛋白進(jìn)行改造 ，已經(jīng)取得很多成果。例如，將 T4溶菌酶的第 51位蘇氨酸轉(zhuǎn)變成脯氨酸，使該酶對(duì)ATP的親和力增強(qiáng)，酶活力提高了 25倍。 但定點(diǎn)突變技術(shù)只能對(duì)天然酶蛋白中某些氨基酸殘基進(jìn)行替換，酶蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)基本維持不變，因此對(duì)酶的功能的改造非常有限． 不過(guò)，如果通過(guò)多代遺傳將突變積累起來(lái)，也可以較好地拓展酶的功能。 近來(lái) ， Arndd利用所謂 “ 定向酶進(jìn)化 ” 技術(shù) ， 在試管中模擬達(dá)爾文進(jìn)化論的關(guān)鍵過(guò)程 。 先進(jìn)行無(wú)序突變和重組 ， 繼而進(jìn)行篩選 ， 再通過(guò)多代遺傳 ， 可以大大改進(jìn)和拓展酶的功能 。 近來(lái)國(guó)際上又提出酶蛋白全新設(shè)計(jì)的概念 。 眾所周知 ， 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)由其氨基酸的序列控制 ， 而其功能又與結(jié)構(gòu)密切有關(guān) 。 據(jù)計(jì)算 ， 300個(gè)氨基酸可以組成 10390種不同序列的蛋白質(zhì) 。 而從生物出現(xiàn)以來(lái) ，自然界估計(jì)有 1055種蛋白質(zhì) ． 即絕大多數(shù)新序列和新功能的蛋白質(zhì)或酶 ， 在許多億年的生物進(jìn)化過(guò)程中還沒有出現(xiàn)過(guò)或者沒有研究過(guò)的酶 ， 有待我們?nèi)ラ_發(fā)和創(chuàng)造 ． 基因工程的飛速發(fā)展 ， 我們可以通過(guò)研究能夠獲得自然界原先并不存在的 、 具有全新結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì) ． 同樣 ， 這一項(xiàng)新技術(shù)也可以 用于組建自然界原先并不存在的 、結(jié)構(gòu)和功能全新酶蛋白 。 在確定設(shè)計(jì)目標(biāo)后 ， 先根據(jù)一定規(guī)則產(chǎn)生初始序列 ， 經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和構(gòu)建模型 ， 對(duì)序列進(jìn)行初步的修改 ， 然后進(jìn)行基因表達(dá)或多肽合成 ， 再經(jīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè) ， 確定是否與原定目標(biāo)相符 。 并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果 ， 指導(dǎo)進(jìn)一步的設(shè)計(jì) 。 盡管目前對(duì)蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，即蛋白質(zhì)折疊規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠深入，蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)還處在探索階段，但定，其應(yīng)用前景非常誘人，值得深入探索和研究 二 、 酶在環(huán)境治理方面的應(yīng)用研究 當(dāng)前，環(huán)境污染己經(jīng)成為制約人類社會(huì)發(fā)展的重要因素．我國(guó)每年排出大量廢水 (416億噸 )廢氣和煙塵 (2022萬(wàn)噸 )，以及固體廢棄物 (1000億噸 )，污染規(guī)模達(dá)到相當(dāng)嚴(yán)重的地步．美國(guó)也有大量土地、淡水和海水區(qū)域被污染。據(jù)估計(jì)，僅治理被污染的土地一項(xiàng)，就耗資巨大。 原先人們常用的化學(xué)方法和物理方法，己經(jīng)很難達(dá)到完全清除污染物的目的 。 微生物在環(huán)境治理方面發(fā)揮了十分巨大的作用 ， 最常用 、 最成熟的活性污泥廢水處理技術(shù) ， 就是依靠了微生物的作用 、 同樣 ， 各種微生物酶 能夠分解糖類 、 脂肪 、蛋白質(zhì) ， 纖維素 、 木質(zhì)素 。環(huán)烴 、 芳香烴 、 有機(jī)磷農(nóng)藥 、氰化物 、 某些人工合成的聚合物等 ， 正成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題 ． 三 、 人工合成酶和模擬酶 酶的高度催化活性以及酶在工業(yè)上應(yīng)用帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益 ， 促使人們研究人工合成的酶型催化劑 ． 通常 ， 人們將人工合成時(shí)具有類似酶活性的聚物稱之為人工合成酶 。 人工合成酶在結(jié)構(gòu)上必具有兩個(gè)特殊部位 ， 即一個(gè)是底物結(jié)合位點(diǎn) ， 一是催化位點(diǎn) 。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn) ， 構(gòu)建底物結(jié)合位點(diǎn)比較容易 ， 而構(gòu)建催化位點(diǎn)比較困難 ． 兩個(gè)位點(diǎn)可以分設(shè)計(jì) 。 但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn) ， 如果 人工合成酶有一個(gè)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的結(jié)合位點(diǎn) ， 則該位點(diǎn)常常會(huì)同時(shí)具有結(jié)合位點(diǎn)和催化位點(diǎn)的功能 ． 人工合成酶通常也遵循 MichaelisMenten方程 ， 例如高分子聚合物聚 4乙烯基吡啶 烷化物 ， 具有糜蛋白酶的功能 ， 含輔基或不含輔基的高分子聚合物 ，具有氧化還原酶 、 參與光合作用的酶和各種水解酶等功能 。 在 “ 模擬酶 ” 方面，固氮酶的模擬最令人矚目。人們從天然固氮酶由鐵蛋白和鐵鉬蛋白兩種成分組成得到啟發(fā)，提出了多種固氮酶模型。 如 過(guò)渡金屬 (鐵 、 鈷 、 鎳等 )的氮絡(luò)合物 ， 過(guò)渡金屬 (釩 、鈦等 ） 的氮化物 ， 石墨絡(luò)合物 ， 過(guò)渡金屬的氨基酸絡(luò)合物等 。此外 ， 利用銅 、 鐵 、 鈷等金屬的絡(luò)合物 ， 可以模擬過(guò)氧化氫酶 等 ． 近來(lái)，國(guó)際上又發(fā)展起一種分子壓印技術(shù)，又稱為生物壓印 (bidimprinting)技術(shù)。該技術(shù)可以借助模板在高分子物質(zhì)上形成特異的識(shí)別位點(diǎn)和催化位點(diǎn)。目前，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。例如，模擬酶可用于催化反應(yīng)，分子壓印的聚合物可用作特制的分離材料， 抗體和受體結(jié)合位點(diǎn)的模擬物可用于識(shí)別和檢測(cè)系統(tǒng) ， 分子壓印的聚合物可用作生物傳感器的識(shí)別單元 。 有專家在演講中介紹了人工合成酶在氧化還原反應(yīng)方面的進(jìn)展。他將 天然酶和人工合成酶置于膜反應(yīng)器內(nèi)，比較了二者在連續(xù)氧化還原反應(yīng)系統(tǒng)中的反應(yīng)能力。 轉(zhuǎn)換頻率 空間時(shí)間產(chǎn)率
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