生物催化剂：高效、专一、多样、温和的化学反应推动者

生物催化剂：高效、专一、多样、温和的化学反应推动者

生物催化剂是能催化特定化学反应的蛋白质、RNA或其复合物，通过降低反应活化能来加速反应，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、特异性强、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：酶比无机催化剂有更高的催化效率，使反应速度更快；

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温和的条件下进行；

活性可调性：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；

相关性：一些酶的催化特性与辅因子有关；

多变性：由于大多数酶是蛋白质（少数是RNA），因此它们会被高温、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别很大，有的酶可高达70℃。动物体内酶的最适pH大多在6.5～8.0之间，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大多在4.5～6.5之间。

酶的这些特性使细胞内复杂的代谢过程得以有序进行，使代谢与正常的生理功能相适应。如果由于基因缺陷而导致酶有缺陷，或者由于其他原因导致酶的活性减弱，就会导致酶所催化的反应不正常，引起代谢紊乱，甚至引起疾病。因此，酶与医学的关系十分密切。相同点：

改变化学反应速率，而其本身几乎不被消耗；只催化已经发生的化学反应；加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但不改变平衡点；降低活化能，加快化学反应速率；这些都会导致中毒。

不同点：无机催化剂一般寿命比酵素长很多，也不容易中毒，而酵素则不如无机催化剂稳定，价格也昂贵很多。不过，酵素的效率却非常恐怖，通常酵素的催化率可达无机催化剂的百万倍以上，因此酵素一般应用于医药、制药等依赖品质需求的高科技领域。依酵素所催化反应性质不同，酵素可分为六大类：

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之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（）能催化底物分子双键上基团的添加或去除，即促使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（）促进异构体相互转化，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，在以上六大类的基础上，每类酶又根据底物中基团或键的特征，分为若干亚类；为了更准确地表明底物或反应物的性质，每个亚类又分为若干组（亚亚类）；每组中又直接包含若干种酶。生物催化剂技术是化学生物技术的组成部分，作为化学合成的手段或工具的重要性日益提高。消费者对新产品的需求、行业增加利润降低成本的要求、政府及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应用。（分析主流资金的真实目的，寻找最佳获利机会！）

尽管生物催化剂在生产高果糖玉米糖浆、甜味剂和抗癌药物方面已经取得了一定进展，但其潜力尚未显现，迫切需要工业界、非营利组织、政府部门、学术机构和国家实验室的共同努力。该计划提出的一些目标是发挥其潜力，分析技术壁垒和需要解决的问题。同时，报告还提出了实施这一计划的实施建议。

目标：生物催化剂规划目标包括在未来20年内减少传统化学工业材料、水和能源的消耗及污染源30%。对于生物催化剂，具体目标如下：开发比现有化学催化剂更好、更快、更便宜的生物催化剂；开发一系列比现有催化剂能催化更广泛反应和具有更广泛通用性的生物催化剂；提高温度稳定性、反应性和溶剂兼容性；开展分子建模工作，以便从头开始快速设计新的酶；为生物催化剂开发创造更好的手段或工具；教育公众了解使用和创造生物催化剂的社会效益。

需要克服的技术障碍：

对于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）了解甚少；工程生物的方法有限；许多酶的生产成本和生物催化剂的使用成本很高。

实施：提高人们对研究和开发新型高效生物催化剂的价值和好处的认识；制定研究成功的绩效指标；建立一个执行委员会来监督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；提高对生物催化剂的价值及其可为行业领袖和某些地方机构带来的商业利益的认识；促进基础研究科学家和资助机构对生物催化剂开发的机遇和挑战的理解。

通过50多位专家的研究，大家一致认为，不断推进生物催化剂的发展是化学相关行业的重要目标，需要开展广泛而协调的工作，了解创造新一代环境友好且有利可图的生物催化剂的机遇和挑战。消费者、工业家、环保工作者和科学家都应该注意这一点。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。这三个组成部分都在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概念和目的开展不同的工作。工业部门更多地进行开发研究，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。而一些大学和政府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，美国化学工业约有100万名员工，生产7万种产品，产值达4190亿美元，是美国三大出口产业之一，增强了国家的竞争力。以上业绩还不包括制药业，制药业在很多方面都是化学的应用。精细化学品需要与一般化学品类似的研究，更需要生物催化和生化药剂。

环境问题在化学工业中至关重要。减少环境污染是大家非常关心的问题，因此应开发一种新的“绿色化学”，使化学变得环保，减少废物产生，减少能源使用，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、二氧化碳排放和能源使用的工艺和产品。化学工业及其企业应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，使用可再生原料。生物技术的其他应用可以生产新产品、新制造方法并提高生产的经济效率，降低能源消耗并减少对环境的影响。

化学生物技术给化学工业的格局带来了巨大的冲击，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，例如利用酶进行淀粉、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经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，但关于生物材料、织物和类似产品的政策尚未出台，这是目前非常需要的。

生物催化剂开发背景：

化学工业是一个多部门行业，与铝和玻璃制造等单一部门行业有很大不同。化学工业包括许多只生产少数产品的小公司和少数生产数以万计产品、采用各种工艺和中间产品的大型跨国公司。化学公司通常是供应商、用户、中间产品和各种专业供应商之间的纽带。

在展望化学工业的未来发展时，我们经常会遇到定义化学工业的问题：化学工业是否包括石油化学工业？农用化学品是否属于化学工业产品？制药行业其实是精细化学品，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”、“化学为基础的工业”甚至“化学工业”的定义和内涵都是争论的话题。

未来20年将发生产业革命，本报告指出生物技术和生物加工技术对未来的影响，以及一个全新产业的兴起。

生物技术的未来发展：

从社会科学的突破到形成成熟的技术再到工业应用，经历了一个漫长的研究和发展阶段，先是小规模应用，然后大规模生产。生物技术自1974年以来已经有了少量的应用。20世纪80年代，医疗保健行业，特别是制药行业发现了它的价值，并开始将其扩大。现在已有多种药物通过生物技术生产。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稍后投入生产。生物技术仍然面临许多强大的社会和经济影响：

1999年，生物技术产业销售额为134亿美元，产值186亿美元；

美国有1280多家；

该行业拥有970亿美元的投资市场，雇佣了153,000名高薪工人，并在研发上投入了90亿美元；

研发出90多种生物技术药物和疫苗，挽救全球2亿多人民；

生物技术负责进行数百项药物临床试验；

生物技术提高了许多优质产品的营养成分，如玉米、大豆、西红柿、胡萝卜和辣椒等；

生物技术有效地处理废物；

DNA鉴定是一种生物技术过程，它极大地提高了犯罪调查的准确性。

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，但其在新型生物催化剂中的应用非常重要。

生物催化剂发展的驱动力：

推动生物催化向化学工业发展的力量有四种：

社会力量：社会需要新技术、新产品和新生活方式。社会还需要开发新技术，例如减少对环境影响的技术。

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更低的成本生产相同或更好的产品，因此必须找到解决方案来降低分离生物产品的成本，从而降低生物催化剂的成本，使其与传统的无机和有机催化剂具有竞争力。商业和经济需求开发出更好的技术来选择和生产更便宜的酶。

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，利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，这些产品在代替石油产品时会产生更少的温室气体。对转基因生物的监管担忧要求对生物催化剂的有效性和安全性进行安全评估。政府政策倾向于在燃料乙酸生产中使用生物催化工艺，但这些政策可能会发生变化。

来自基础研究的压力：基础研究中对真理的探索和发现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产生具有巨大潜在影响的进步。基因工程最初只是弄清楚如何在相似物种之间转移遗传信息，但现在它被用于生产干扰素或人类生长激素等救命的治疗药物，也可用于增加牛奶产量、制造新聚合物和开发新的治疗药物。

概括起来，有四种力量推动着生物技术四个方面的发展：

社会压力推动产品推出，技术压力推动基础研究和发现，管理压力推动环境绩效改进，商业压力推动利润增加和成本降低。