探索生物催化：酶与微生物的奇妙化学转化之旅

探索生物催化：酶与微生物的奇妙化学转化之旅

生物催化（）是指利用酶或生物体（细胞、细胞器、组织等）作为催化剂，进行化学转化的过程。这种反应过程又称为生物转化（）。

基本介绍 基本内容 定义、优缺点、优势、缺点、酶、酶的特点、消化酶、比较、酶的分类、酶的生产、催化剂中毒、生物催化剂、概述、化工行业概况、新来源、生物催化技术、现状、应用前景、催化技术产品、 基本内容 定义 生物催化中常用的生物主要是微生物，其实质是利用微生物细胞内的酶进行催化，促进生物转化的过程。 优势缺点 优点 作用条件温和，基本在常温、中性、水等环境下完成； 独特、高效的底物选择性（因为催化过程中的酶具有专一性的特点，即一种酶只能催化特定的底物发生反应，但一种底物可能被多种酶催化）； 对于手性活性药物成分的合成有着独特的优势。 缺点 生物催化剂在反应介质中往往不稳定； 目前能够用于工业应用的生物催化剂太少； 生物催化剂的发展周期相对较长。酶 酶的特点 生物催化剂能催化蛋白质、RNA或其复合物进行特定的化学反应，通过降低反应的活化能来加快反应速率，但不改变反应的平衡点。大多数酶的化学本质是蛋白质，具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。酶催化的本质：降低化学反应的活化能； 高效性：酶的催化效率比无机催化剂高，使得反应速率更快； 专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽； 多样性：酶的种类很多，约有4000种； 温和性：指酶催化的化学反应一般在较温和的条件下进行； 活性的可调性：包括抑制剂和激活剂调控、反馈抑制调控、共价修饰调控和变构调控等；相关性：一些酶的催化活性与辅因子有关；可变性：由于大部分酶是蛋白质（少数是RNA），所以会被高温、强酸、强碱等破坏。

一般而言，动物体内酶的最适温度为35～40℃，植物体内酶的最适温度为40～50℃；细菌和真菌体内酶的最适温度差异很大，有的酶可高达70℃。动物体内酶的最适pH大多为6.5～8.0，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.5，植物体内酶的最适pH大多为4.5～6.5。酶的这些特性使细胞内复杂的代谢过程得以有序进行，使物质的代谢与正常的生理功能相适应。如果某种酶因遗传缺陷而出现缺陷，或因其他原因使酶的活性减弱，就会导致酶所催化的反应异常，物质代谢紊乱，甚至引发疾病。因此，酶与医学的关系十分密切。 消化酶：食物中的蛋白质、淀粉、脂肪等大分子物质不能被消化道直接吸收，必须经过消化，由大分子物质转化成易吸收的小分子物质，才能被消化道吸收。食物的消化与消化液中的酶密切相关。酶是由活细胞产生的一类具有催化能力的有机物，又称生物催化剂。在一定条件下（如适宜的温度、pH值），消化酶能将复杂的大分子物质分解为简单的小分子物质。相同点：改变化学反应速率，几乎不被消耗；只催化已有的化学反应；加快化学反应速度，缩短达到平衡的时间，但不改变平衡点；降低活化能，加快化学反应速度；均会引起中毒。

不同点：无机催化剂一般寿命比酶长很多，而且不易中毒。酶没有无机催化剂稳定，价格也贵很多。但是酶却有恐怖的效率，通常酶的催化速度可以达到无机催化剂的百万倍以上，因此酶一般被应用在医学、制药等依赖品质的高科技领域。 酶的分类 根据酶所催化的反应性质不同，酶分为六大类： 氧化还原酶（） 促进底物的氧化或还原。 转移酶（） 促进不同物质的分子间某些化学基团的交换或转移。 水解酶（） 促进水解反应。 裂解酶（） 催化底物分子双键上基团的增加或除去，即促进一种化合物分裂成两种化合物，或由两种化合物合成一种化合物。 异构酶（）促使异构体互相转化，即催化底物分子内的重排反应。合成酶（）促使两个化合物分子结合，同时使ATP分子（或其他三磷酸核苷）中的高能磷酸键断裂，即催化分子间的缔合反应。根据国际生化协会公布的酶统一分类原则，在以上六大类酶的基础上，每大类酶又根据底物中基团或键的特点，分为若干小类；为了更准确地表示底物或反应物的性质，每小类又分为若干大类（亚小类）；每大类中又直接包含若干种酶。

酶的生产 酶可以人工合成，也可以由生物体产生。人工合成酶的成本将大大降低，但人工能合成的酶种类却十分有限。只有具有生物活性的生物体才能产生酶，但酶可以在生物体外发挥作用，目前酶一般都是从培养的生物体中提取而得。 催化剂中毒 催化剂在反应过程中受到污染或接触到不能接触的物质而效率降低甚至失效的情况称为催化剂中毒。中毒的催化剂不能再发挥其作用。 生物催化剂概述 生物催化剂技术是化学生物技术的一个组成部分，作为化学合成的手段或工具正变得越来越重要。消费者对新产品的需求、行业对增加收益和降低成本的要求、政府和行政部门加强管理的压力以及新技术和科学发明的不断涌现，都促进了生物催化剂的使用。 （分析主流资金的真实目的，寻找最佳获利机会！）尽管生产高果糖玉米糖浆、甜味剂和抗癌药物，生物催化剂尚未展现出其潜力，迫切需要产业界、非营利组织、政府部门、学术机构和国家实验室的共同努力。计划中提出的一些目标是挖掘其潜力，分析技术壁垒和需要解决的问题。同时，为了实施这一计划，报告还提出了实施建议。目标：生物催化剂计划的目标包括在未来20年内将传统化学工业的材料、水和能源消耗以及污染源减少30％。

对于生物催化剂，以下具体目标是：开发比现有化学催化剂更好、更快、更便宜的生物催化剂；开发一系列可以催化更广泛反应并具有比目前更广泛的通用性的生物催化剂；提高温度稳定性、反应性和溶剂相容性；开展分子建模工作，以从头开始快速设计新型酶；创造更好的生物催化剂开发手段或工具；教育公众了解使用和创造生物催化剂的社会效益。要克服的技术障碍：对酶和生物催化剂机制的了解有限；对次级代谢和代谢途径（包括途径相互作用）的了解甚少；工程生物体的方法很少；生产多种酶和应用生物催化剂的成本高昂。实施：提高对研究和开发新型高效生物催化剂的价值和益处的认识；制定研究成功的绩效指标；建立一个执行委员会来监测和促进生物催化剂的开发和使用；将指南分发给适当的贸易组织和专业协会； 提高行业领导者和某些地方机构对生物催化剂的价值及其能带来的商业利益的认识；促进基础研究科学家和资助机构了解生物催化剂发展的机遇和挑战。50多位专家一致认为，继续推动生物催化剂的发展是化学工业的重要目标，这需要广泛而协调的工作，以了解创造新一代环保、盈利和多样化的生物催化剂的机遇和挑战。

消费者、工业家、环保主义者和科学家都应该注意这一方面。 化学工业概况 化学工业既多样又非常复杂。整个化学工业主要包括工业部门、学术机构和各种国家和地方实验室。这三类组成部分都不同程度地进行基础研究、应用研究和开发。不同的公司、组织和机构根据其不同的理念和目的开展不同的工作。工业部门进行更多的开发研究，而学术部门则侧重于基础研究。有时工业部门也可以进行自己的基础研究。而一些大学和国家实验室经常进行竞争性研发或探索工业应用的可能性。 化学公司的多样性增强了国家的经济和安全。根据美国化学制造商协会（CMA）的数据，美国化学工业拥有约100万名员工，生产7万种产品，产值为4190亿美元。它是美国三大出口行业之一，增强了该国的竞争力。以上表现不包括制药业，该行业在很多方面都是化学的应用领域。 精细化学品需要的研究与一般化学品类似，更需要生物催化和生化剂。环境问题是化学工业中最重要的问题。减少环境污染是大家非常关心的问题，因此需要发展一种新的“绿色化学”，使化学变得环境友好，减少废物的产生，减少能源的使用，并使用可再生资源。因此，化学工业研究的主要目标是开发减少废物、CO2 排放和能源使用的工艺和产品。

化学工业及其企业必须考虑可持续的化石基或生物可再生资源。化学生物技术是生物技术在化学生产中的快速应用，它与绿色化学密切相关，应用可再生原料。将生物技术应用到其他方面可以获得新产品、新制造方法并提高生产的经济效率，从而可以降低能源消耗并减少对环境的内部影响。化学生物技术给化学工业的结构带来了巨大的影响。一些公司围绕不同的生物技术创新进行了收购、投资和重组。生物技术在食品工业中非常常见，例如酶用于淀粉、饮料生产、肉类保鲜等，未来将对食品工业产生更大的影响。生物技术在重组食品和作物的基因工程中带来了不确定性。在美国，这些不确定性大部分已被食品安全和农业安全的事实和信息所证明。生物技术在制药过程中的应用可以得到保证，但尚未出台有关生物材料、织物和类似产品的政策，这是目前非常需要的。 生物催化剂发展背景：化学工业是一个多门类的行业，与铝和玻璃制造等单门类行业有很大不同。化学工业包括许多只生产少数几种产品的小公司，也包括少数生产数以万计的产品，工艺流程和中间产品各异的大型跨国公司。化学公司往往与供应商、用户、中间体生产和各种专业化供应商相联系。在展望化学工业的未来发展时，经常会遇到化学工业的定义问题：化学工业是否包括石油化学工业？农业衍生的化学品是否属于化学工业产品？制药行业其实就是精细化学品，但制药市场的性质和巨大的财务状况常常导致一些分析师将其与精细化学制造业区分开来。

“化学研究”、“生物技术”、“化学基工业”甚至“化学工业”的定义和内涵都是争论的话题。未来20年将彻底改变工业。本报告指出生物技术和生物加工对未来的影响以及一个全新工业的出现。生物技术的未来发展：从社会科学的突破到成熟的工艺再到工业应用，经过长期的研究和开发，小规模应用然后大规模生产。生物技术自1974年以来已在少数情况下得到应用。在20世纪80年代，医疗保健行业，特别是制药行业发现了其价值并开始扩大。现在已有几种用生物技术生产的药物。乙醇、高果糖玉米糖浆、柠檬酸和氨基酸等大宗食品化学品已由细菌或酶生产，一些其他化学品可能在以后投入生产。 生物技术的目标实现还面临着许多强大的社会和经济影响：1999年，生物技术产业的销售额为134亿美元，产值为186亿美元；全美有1280多家生物技术公司；该产业拥有970亿美元的投资市场，雇用了15.3万名高薪工人，研发费用达90亿美元；已有90多种生物技术药物和疫苗问世，拯救了全球2亿多人口的生命；生物技术负责着数百项医学临床试验；生物技术提高了玉米、大豆、西红柿、胡萝卜和辣椒等许多优良产品的营养成分；生物技术有效地处理废弃物；DNA鉴定是一种大大改进了犯罪调查的生物技术过程。

化学研究是化学公司技术的孵化器，推动新技术的产生、发展、应用和转化为化学工业的核心。这些成果与生物技术的基础研究密切相关，包括大宗化学品：肥皂、洗涤剂到纺织品和合成纤维，也推动了能源和环境问题驱动的绿色化学。随着能源和环境因素越来越受到重视，任何工业部门都很难不受到影响，从燃料脱硫到废物生物降解，从钢铁生产到矿物精炼。近年来，《生物技术趋势》和《生物技术进展》等许多国际权威期刊发表文章，提出以生物技术为基础的化学取代传统的合成化学，例如“植物工厂”和各种具有优异催化性能的突变酶。现在遗传工程一词已被代谢工程所取代，功能基因组学已取代基因组学。在保健产品中，手性尤为重要。虽然酶的手性拆分并不新鲜，但将其应用于新型生物催化剂中非常重要。 生物催化剂发展的驱动力：有四种力量推动生物催化剂向化学工业发展：社会力量：社会需要新技术、新产品和新的生活方式。社会还需要开发新技术，例如减少环境影响的技术。商业力量：利润和成本降低推动了许多变化。商业需要生物催化剂，以便能够以更低的成本制备相同或更好的产品，因此应找到解决方案以降低生物产品的分离成本，降低生物催化剂的成本，并使其与传统的无机和有机催化剂具有竞争力。

商业和经济需求将导致更廉价地选择和生产酶的更好技术。*** 监管力量：对温室气体（尤其是二氧化碳）的担忧将推动碳的闭环方法。例如，使用农作物代谢碳以生产精细化学品。使用整个生物体作为生物催化剂来生产能源密集型产品，当代替石油产品使用时，这些产品产生的温室气体更少。对转基因生物的监管担忧将要求对生物催化剂的有效性和安全性进行安全认证。*** 政策有利于在燃料乙酸的生产中使用生物催化过程，但这些政策可能会改变。基础研究压力：在基础研究中寻找真相和发现真相带来了巨大的工业和实用技术进步。这些有意义的发现往往会带来具有巨大潜在影响的进步。基因工程最初旨在了解如何在相似物种之间转移遗传信息，现在用于生产救命的治疗药物，如干扰素或人类生长激素，也可用于增加牛奶产量、制造新聚合物和开发新治疗药物。 概括起来，四种力量推动着生物技术四个方面的发展：社会压力推动产品的问世，技术压力推动基础研究和发现，管理压力推动环境效果改善，商业压力推动利润增加和成本降低。传统的依赖于培养的新源生物催化剂筛选方法实际上损失了大部分的微生物资源。由于社区中大多数微生物无法培养，科学家们开发了一种新方法。

这种方法可以开发这些微生物的基因组用于生物技术，而无需事先培养。这个令人兴奋的研究领域被称为宏基因组学。宏基因组是指特定环境下生物体所有遗传物质的总和，它决定了生物群体的生命现象。从由宏基因组 DNA 构建的文库中筛选新的生物催化剂或基因有两种策略：基于活性（基于功能）的筛选和基于序列的筛选。 无论何种方法，首先要构建DNA文库，再配以合适的载体和宿主，构建小片段（生物催化技术现状报告中提到，目前有134种工业级生物转化，其中水解酶（44%）和氧化还原酶（30%）在工业生物催化应用上占主导地位；工业生物转化（ ，ISBN: 3-527-31001-0），A. Liese，K.，C.主编，详细介绍了工业应用中使用的酶、酶的来源、酶生产公司以及相关反应的底物和产物的种类和数量；生物催化的平均效率为：产物浓度：100g/l，产率：69.5%。应用前景生物催化与生物转化是人类所依赖的生态系统固化和储存太阳辐射巨大能量的有效手段，是地球上所有生物质循环转化的本质特征，也是人类从石油向其他能源转型的最佳途径走向“低碳经济”。

生物催化与生物转化作为新一代工业生物技术的主体已被写入国家中长期科技规划（2006-2020年），并得到973计划和863计划的大力支持。药用化合物一般都是活性小分子，能与人体内酶、蛋白质或其他功能性生物大分子发生特异性相互作用，因此在药物分子的制造过程中引入酶作为催化剂也就不难理解了。但要将自然界普遍存在的生物催化过程转化为高效的工业生产过程，不仅取决于技术上能否找到能有效结合并催化目标分子（多为人工合成的非天然化合物）的酶，还取决于生物催化过程相对于其他工艺路线（如化学合成或微生物发酵）的经济竞争优势。 因此，相对而言，生产规模相对较小、纯度要求较高的药物生产自然成为生物催化技术产业化的首选目标。由于一系列因素的共同作用，生物催化逐渐发展成为一项革命性的技术。这些因素包括：大规模廉价的DNA测序技术；指数级增长的基因库数据；强大的定向进化和高通量筛选技术；高效的酶蛋白表达系统；对天然产物生物合成机制的深入了解；代谢工程和途径工程的成功工业应用。自2003年以来，生物催化与生物转化技术的发展受到中国政府的高度重视，国家中长期科技发展规划和“863”计划均增加了生物催化与生物转化课题，中科院和一些著名高校掀起了研究热潮，中石化、中石油、中粮等国有大型企业集团纷纷投入资金，发展生物能源、生物材料、生物质化学品的产业技术。

催化技术产品在生物催化领域，我国涌现出一批以大宗化学品、生物能源、食品、精细化学品为主的代表性产品，产值超过3500亿元。味精、柠檬酸、青霉素、维生素C等多个产品生产规模已达世界第一，在全球占有举足轻重的地位。同时，我国成功实现了众多传统产品的转型升级，一批新技术、新产品正在产业化大规模应用，在能源、材料、化工制造等领域崭露头角。通过多年的建设和积累，我国已构建了生物催化与生物转化的新型研究体系和技术平台，利用新技术改造筛选新菌种、新酶已形成体系，大大提高了筛选效率，缩短了周期。 以粮食作物、油料作物为原料的生物炼制体系形成了新的产业模式，纤维素原料大规模水解制备燃料乙醇受到青睐，秸秆气化联产全体系也已形成。此外，我国精细化工制造技术平台也已形成，基因工程菌发酵平台日趋成熟完善。工艺和装备技术也发展迅速。如模拟移动床、膜分离设备等已引入果糖1,6-二磷酸和核苷酸的大规模工业化生产，大大减少了原料消耗、水耗和污染物排放，降低了成本，产生了显著的经济效益。目前，我国已在生物催化、生物转化等方面开展了大量研发工作，并成功进行了部分工艺的绿色改造，取得了显著的成效。

生物催化是指利用酶或生物体（全细胞、细胞器、组织等）作为催化剂进行化学转化的过程，又称生物转化。生物催化具有一些化学方法无法比拟的优势：（1）特异性强，具有独特、高效的底物选择性（化学选择性、区域选择性和立体选择性）；（2）环境友好，通常以水为反应介质（水是最绿色的溶剂）；（3）反应通常在室温、常压下进行，减少了能源的使用，降低了反应的不可控性；（4）减少了保护和脱保护步骤，原子经济性好，可以完成一些化学合成中难以进行的反应。基于绿色化学十二原则，生物催化已成为国际上最受认可的绿色化学转化技术之一。如果将生物催化应用于大规模工业生产，将大大减少原料的消耗和污染物的排放，不仅可以缓解环境问题，还可以降低成本，产生显著的经济效益。 因此，生物催化是绿色化学和绿色化工发展的重要趋势之一。-----苏金焕，朱俊. 生物催化的发展与展望. 生物工业技术. 2010, 4:28 -34