探索酶的奥秘：从酒母到现代产业的催化奇迹

探索酶的奥秘：从酒母到现代产业的催化奇迹

䊈，写作，是葡萄酒的酵母。

四库全书♦五音集韵

现代工业界对酵素的解释当然不是指酵母，而是指具有催化功能的蛋白质。酵素作为天然的催化剂，促进细胞内各种化学反应，对生命的存在起着至关重要的作用。从酵素的概念提出到酵素产业的成熟，大概用了130-40年的时间。酵素的英文单词是“in yeast”，意思是来自酵母。1897年，科学家打破酵母细胞壁，得到一种能将葡萄糖转化为酒精和二氧化碳的提取物。从此，人们开始认识和探索“某些生物大分子能催化化学反应”的概念。

与传统的化学催化相比，蛋白质催化/酶催化效率高，产生的废弃物少，这也是过去40年来酶行业不断崛起的原因之一。现代生物技术的发展也是酶行业进步的重要驱动力。当代生物技术，如测序技术（）、蛋白质定向工程（）、上游发酵（）和下游工艺（），都有助于开发和生产更复杂、更高效的酶产品。相信在不久的将来，酶行业只会继续扩大，渗透到更多传统化学工业难以拓展的领域。

让我们谈谈一些实际的事情

那么现在酶相关的行业有哪些呢？如下图所示，是从2016年的一份酶行业报告[1]中总结出来的。

看到这么多行业都涉及酶，真的让我很惊讶。我没想到酶的用途这么广泛。例子太多了，我就举几个典型的例子。

以上这些酶的应用领域中，最常见的应该是洗衣粉制造业。酶在洗衣粉中的应用可以追溯到上世纪六十年代，当时人们发现酶可以在相对温和的温度下催化顽固污渍的降解。酶作为蛋白质，在不承受太大环境压力的情况下，也能自然降解。如今洗衣粉中添加的酶主要有：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶等。其中，蛋白酶占了很大比例。值得一提的是，如今洗衣粉行业中几乎所有的蛋白酶都存在于芽孢杆菌属（）。说到这，何不看看你家的“刁牌洗衣粉”里都加了什么酶~~~

除了洗衣粉，酶在纺织行业还有哪些应用呢？最常见的应用应该是羊毛织物的酶处理。早在上世纪 80 年代，人们就开始使用蛋白酶处理羊毛织物，防止其缩水。传统的羊毛织物需要用氯（-）处理才能防缩，但这种方法不环保，后来的酶处理就好多了。如下图所示，酶处理对织物防缩的效果。需要注意的是，7A 漂洗可以理解为一台普通洗衣机的强度和时长，而 5A 漂洗相当于十台普通洗衣机洗涤羊毛产品的强度。7A 和 5A 的漂洗温度均为 40 摄氏度。

除了生产用酶，食品行业对酶的需求也很大，下面的饼状图是2015年全球酶行业的销售额，食品行业酶的销售额达到13亿美元，是除生产用酶之外需求最大的行业[1]。

在食品工业中，酶最常见的应用是淀粉酶（）和葡萄糖苷酶（），水解淀粉，产生小分子单糖或多糖，使食品具有甜味。此外，还有用葡萄糖异构酶（）催化葡萄糖生产果糖浆。截至2009年，食品工业中用于食品生产加工的酶有200种，其中57种酶是直接由GMO（=转基因菌株）生产的。

让我们谈谈学术

酶毕竟是蛋白质，未来对酶的需求只会越来越大，因此催化蛋白的开发和优化显然是未来必不可少的。那么，开发和优化是什么呢？

如果你是一个想生产酶制剂的工厂老板，你当然希望你的酶具有生产成本低、产品稳定性高、酶催化效率高等特点。然而，自然界中发现的大多数酶都不具备这些特点。那么，你要么到自然界去寻找更符合生产要求的酶，要么对现有的酶进行改造，使其符合你的期望。这就叫开发和优化。

那么现在主流的开发/优化策略有哪些呢？如下图所示，相信这些主流策略对于从事蛋白质工程的同学来说并不陌生，我就不多说了，每个策略都有对应的草图，大家可以看一下！值得一提的是，策略C/D/E都涉及到建库，所以筛选方法至关重要，尤其是一些高通量的方法会非常适用。这个话题我们以后再讲~~

[1] Jemli, S.、Ayadi-, D.、Hlima, HB 和 Bejar, S. (2016)。 : 并为 . 见，36(2), 246-258。

[2] ， S.，， T.，， TV，， TT， Lund， H.， Lai， W.， & Kirk， O. (2016)。 在 。 Kirk- 的。