酶工程制药

前言: 生物技术正在越来越多地从根本上改变进行药物发现和开发的方法。酶工程是生物技术中发展时间较长的一门技术。此文着重从工程和技术化的角度介绍酶工程在制药工业中的应用
1酶的概述
1.1酶的特性

    酶是由活细胞产生的具有特殊催化功能的一类蛋白。其特点：催化效率高,专一性强,反应条件温和,催化活性受到调节和控制。

1.2酶工程简介

  酶工程^[1]是酶学和工程学相互渗透结合发展而形成一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究酶、应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将相应原料转化成有用物质的技术。

  酶工程的名称出现在20世纪20年代初，在当时，主要是指自然酶制剂在工业上的大规模应用。

   在七十年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军，在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。不仅如此，还产生了威力更大的第三代酶，它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正在成为酶工程应用的主角。

1.3酶的来源

酶作为生物催化剂普遍存在于动，植物和微生物中，可以直接从生物体中分离提纯。从理论上讲，酶和其他蛋白质一样，也可以通过化学合成法来制得。

    早期酶的生产主要以动，植物为主要原料，由植物提供的酶主要有蛋白酶，淀粉酶，氧化酶等，由动物提供的酶主要有胰蛋白酶，脂肪酶和用于奶酪生产的凝乳酶等。但目前，工业生产一般以微生物为主要来源。

1.4酶的生产菌

⒈对菌种的要求：繁殖快，产酶量高，酶的性质应符合使用要求，最好是产生胞外酶的菌；不是致病菌，在系统发育上与病原体无关，也不产生有毒物质；产酶性能稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体；能利用廉价的原料，发酵周期短，易于培养。

⒉生产菌的来源：生产菌种可以从菌种保藏机构和有关部门获得，但大量的功工作应从自然界中分离筛选。筛选步骤包括菌样采集，菌种的分离初筛，纯化，复复筛和生产性能鉴定等。为提高生产菌，主要应用遗传学原理进行改良，其基本途径有：基因突变，基因转移和基因克隆。

⒊目前常用的产酶微生物：大肠杆菌应用最广泛的产酶菌，一般分泌胞内酶，需经细胞破碎才能分离得到；枯草杆菌是工业生产应用最广泛应用之一。

2酶和细胞的固定化

2.1固定化酶的制备

⒈固定化酶的定义：固定化酶是指限制或固定于特定空 间位置的酶，具体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂。固定化所采用的酶，可以是经提取分离后得到一定纯度的酶，也可以是结合在菌体（死细胞）或细胞碎片上的酶或酶系。

    固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪60年代,70年代已在全世界普遍开展。酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重复利用的一类技术。与游离酶相比,固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时,又克服了游离酶的不足之处,呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃,得到迅速发展和广泛的应用,而且因为具有节省资源与能源、减少或防治污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。

⒉固定化酶的特点：具有生物催化剂的功能，又有固相催化剂的功能。可多次使用；反应后，酶底物产物易分开，产物中无残留酶，易纯化，产品质量高；反应条件易控制；酶的利用效率高；比水溶性酶更适合于多酶反应。

⒊酶和细胞固定化方法

酶和细胞固定化模式^[2]

⑴载体结合法：是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。根据固定方式的不同，这种方法又可以分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。

   ①物理吸附法：是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法，固体吸附剂多为活性炭和多孔玻璃等。

   ②离子结合法：离子结合法是指通过离子键将酶结合到具有离子交换基团的非水溶性载体上的方法，载体有离子交换树脂等。

   ③共价结合法：共价结合法是指酶和载体以共价键的形式结合在一起的方法，这种方法需要酶和载体都具有氨基、羧基或羟基等官能团。