酶工程技术在制药中的应用

酶工程技术在制药中的应用

摘要：酶工程是现代生物技术的重要组成部分，作为一项高新型技术为各工业的发展起到重要的推动作用。介绍了酶固定化、酶的化学修饰、抗体酶、核酸酶、酶标药物的理论及技术研究的新进展以及酶工程在制药工业领域中的应用，对酶工程。在制药领域应用的发展前景进行探讨。

关键词：酶工程；酶制药；应用

前景：酶，它作为一种生物催化剂，已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外，还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中，利用酶清除血液废物，防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外，酶作为临床体外检测试剂，可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物，也将是酶在医疗上一个重要的应用。

酶工程概述酶工程是将酶、含酶细胞器或细胞（微生物、动物、植物）等在一定的反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用的物质并用于社会生活的一门科学。它包括酶制剂的制备，酶的固化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面的内容。其应用主要集中于医药工业、食品工业及轻工业中。

1.酶的固定化技术及其应用

通过将酶包埋于凝胶、微囊体内，或通过共价键、离子键吸附连接至固相载体上，或通过交联剂使酶分子相互交联等方法使酶不溶局限在一个有限的空间内的技术过程。该技术可以使酶在批量反应中反复使用，在连续反应中连续使用或酶与产物易分离。固定化的方法有吸附法、共价结合法、包埋法、微囊法和交联法等基本方法，也有交联酶晶体、交联酶聚集体、硅基质包埋法和脂质包埋法等新型固定化技术[1]。在制药领域中应用较多的是包埋法，其次是吸附法。目前已有多种固定化酶用于大规模工业化生产，如：氨基酰化酶、青霉素酰化酶、天门冬氨酸酶、天门冬氨酸-β-脱羧酶。

2.酶的化学修饰

酶的化学修饰是指通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及对其进行化学修饰,是利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上最终达到改变酶的某些催化特性和功能的技术过程。通过酶的化学修饰,可以提高酶的活力，增加酶的稳定性，消除或降低酶的抗原性等。

3.酶的非水相催化和酶的定向进化

酶在非水介质（有机溶剂介质、气体介质、超临界流体介质、离子液介质等）中进行催化反应的技术过程称为酶的非水相催化[5]。酶在非水介质中的催化具有提高非极性底物或产物的溶解度、进行在水溶液中无法进行的合成反应、减少产物对酶的反馈抑制作用、提高手性化合物不对称反应的底物选择性、基团选择性、区域选择性、对映体选择性等显著特点。酶的定向进化技术[5]是模拟自然进化过程（自然随机突变和自然选择等），在体外进行基因的人工随机突变，建立突变基因文库，通过人工控制条件的特殊环境，定向选择得到具有优良催化特性的酶的突变体的技术过程。

4.酶制剂的生产及应用

4．1酶制剂的生产

4．1．1核酸酶和抗体酶

核酸类酶是一类由核糖核酸（RNA）组成的酶，具有核酸序列的高度特异从而具有很强的应用价值。只要知道某种核酸酶的核苷酸序列，就可以设计合成催化其自我割切和断裂的核酸组成，根据这些基因组的全部序列，就可以设计并合成出防治.由这些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核苷酸，如能够防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病等。核酸酶也可以用作研究核酸图谱和基因表达的工具[4]。抗体酶又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子，可以采用诱导法和修饰法获得。抗体酶已经用于酶作用机理的研究、手性药物的合成和拆分、抗癌药物的制备等[4]

4.1.2 酶标药物

近来，人们可以根据药物在生物体内可能的作用目标（如酶或受体）来设计药物，由此获得的药物被称为酶标药物。目前，这种设计方法已经称为药物设计的主流，在新药物设计中发挥了巨大作用。血管紧张素肽转化酶（ACE）抑制剂是酶标药物的一个成功实例，ACE抑制剂已经成为重要的常用降压药。近来的研究发现，艾滋病感染和传播，主要是由艾滋病病毒颗粒表面的蛋白酶引起的。因此，艾滋病病毒蛋白酶的研究成为一个热点，人们希望对艾滋病病毒蛋白酶抑制剂的研究，寻找出防止艾滋病病毒感染和治疗艾滋病的方法[6]。

4.2 酶工程技术在制药工艺中的运用

酶工程技上在生产投资小、工艺简单、能耗量低、产品收率高、效率高、效益大和污染小等优点，成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往采用化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品，皆可通过现代酶工程生产。甚至可以获得传统技术不可能得到的昂贵药品，如人胰岛素、6-APA及7-ADCA 等。固定化基因工程菌、工程细胞以及固定化技术与连续生物反应器的巧妙结合，将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。

4．2.1应用酶工程制备生物代谢产物

应用固定化细胞可大量生产各种初级代谢产物或中间产物，如糖、有机酸和氨基酸等。产品有D-果糖、甘油、1，6-二磷酸果糖、柠檬酸、苹果酸、丙氨酸、

天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸等。

4.2.2应用酶工程生产抗生素和维生素

应用酶工程可以制备头孢菌素Ⅳ(头孢菌素酰化酶)、7-ADCA(青霉素Ⅴ酰化酶)、脱乙酰头孢菌素(头孢菌素乙酸酯酶).近年来还进行固定化产黄青霉（青霉素合成酶系）细胞生产青霉素的研究，合成青霉素和头孢菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方法。

4.2.3应用酶工程生产氨基酸和有机酸

生产DL-氨基酸(氨基酰化酶)、L-赖氨酸(二氨基庚氨酸脱羟酶或α-氨基-ε-己内酰胺水解酶和消旋酶)、尿酐酸(L-组氨酸氨解酶)、L-酪氨酸及L-多巴(β-酪氨酸酶)等有机酸.

4．2.4应用酶工程生产核苷酸类药物

腺嘌呤核苷酸（AMP）由产蛋白假丝酵母菌体用热水提取核酸，再经核酸酶水解制得。脱氧核苷酸由鱼白提取脱氧核糖核酸（RNA）后，经5＇-磷酸二酯酶酶解制得。现有富含核酸的动植物（花粉等）提取核糖核酸（RNA），再用5＇-磷酸二酯酶酶解为磷酸酰苷（AMP）、磷酸胞苷（CMP）、磷酸尿苷（UMP）及磷酸尿苷（GMP）制得混合核苷酸。肌苷酸由酰苷脱氨酶制得。ATP和AMP分别由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙酸激酶制得。

5.酶工程技术制药的前景

酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重要、研究成果之显著已为世人所公认。充分发挥酶的催化功能、扩大酶的应用范围、提高酶得应用效率是酶工程应用研究的主要目标。21世纪酶工程的发展主题是：新酶的研究与开发、酶的优化生产和酶的高效应用。除处采用常用技术外，还要借助基因学和蛋白质组学的最新知识，借助DNA重排和细胞、噬菌体表面展示技术进行新酶的研究与开发，目前最令人瞩目的新酶有核酸类酶、抗体酶和端粒酶等。要采用固定化、分子修饰和非水相催化等技术实现酶的高效应用，将固化技术广泛应用于生物芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白质结构和功能的研究，使酶技术在制药领域发挥更大的作用。

6.参考文献:

[1]谭天伟，生物化学工程[M].化学工业出版社，2008,26（5）

[2]王正祥,刘吉泉，微生物酶的分子改进和人工进化的研究进展[J].生物工程学报.2000,16(3).

[3]郑成，酶工程的研究进展简述[J].韶关学院学报(自然科学版).2001,22(6).

[4]居乃琥，21世纪工程研究的新动向[J].工业微生物.2001,31(1).

[5]吴梧桐，酶工程技术的研究及其在医药领域的应用[J].药学进展，1994,18(3).

[6]马晓健,白净,任珂等，酶工程研究的新进展[J].化工进展，2003,22(8).

[7]穆小民,吴显荣，酶的开发利用与酶工程[J].生物技术,1995,15(6).

[8]彭丽萍,食品沙门氏菌检测方法进展[J].中国人兽共患病杂志,1999,15(5).