生物催化与生物转化的研究进展

生物催化与生物转化的研究进展

摘要：生物催化与生物转化是生物学、化学、过程工程学等多学科交叉的研究领域，其核心目标是大规模采用微生物或酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。本文概述生物催化与生物转化的发展历史、介绍其在各方面的应用以及我国在生物催化与生物转化方面的研究动态等。

关键词：生物催化，生物转化，新物催化剂，应用领域

生物催化与生物转化是生物学、化学、过程工程学等多学科交叉的研究领域，其核心目标是大规模采用微生物或酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。近年来，随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展，大大推动了生物催化与生物转化的基础研究和应用领域。生物催化与生物转化对包括化学工业、医药工业及环保在内的各产业带来极其深远的影响。世界经合组织指出：“生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”1。

一、生物催化与生物转化的发展历史

人类利用生物催化与生物转化进行实践的历史已经很悠久了。早在夏商时期，我国人民就已开始进行发酵如酿酒、造酱、制饴等。2

但生物催化与生物转化用在大规模的工业生产化生产上，则是从20世纪60年代才开始的。

20世纪末，随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展，生物催化与生物转

化重新崛起。

进入21世纪，面对化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面，人类面临着前所未有的生存与发展的危机。因此传统的物质加工业必须进行革命性转变，转向以生物可再生资源为原料、环境友好的、过程高效的生物加工业，其核心技术为生物催化与生物转化。因此人类社会的可持续发展迫切需要生物催化与生物转化技术。

并且，今天的微生物学、生物技术和工程学的快速发展为生物催化与生物转化的新崛起提供了不竭的动力。主要推动因素有3：(1)20世纪90年代以来，微生物多样性的研究、基因组学、蛋白质组学、代谢组学和代谢工程的快速发展，提供了大量的、潜在可用的生物催化剂和生物合成途径，为人类利用这些生物催化剂和合成途径来生产化学品创造了前所未有的特殊机会。(2)20世纪90年代以来，蛋白质工程的技术进步大力推动了生物催化与生物转化的发展。特别是酶的分子定向进化技术和不断完善的传统的理性分子设计方法，使得改造天然酶以适应实际工业生产过程变为可能。(3)现代过程工程原理和手段，已逐步向生物催化和转化领域渗透。如反应分离耦合技术已成功地解决高浓度底物与产物抑制，实现了高效生物催化与生物转化过程。过程工程学科为实现高效的生物催化和生物转化提供了必要的工程基础.

而已生物催化与生物转化为核心的工业生物技术将是生物技术革命的第三个浪潮4，是“21世纪化学工业的基本工具”。发达国家已经不同程度地制定出今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划。美国能源部已在2002年末斥资1亿美元，进行微生物体系的基础研究。美国的目标是：到2020年，要通过生物催化技术，降低化学工业的原料消耗、水资源消耗、能力消耗各30%，减少污染物的排放和污染扩散30%。日本政府也从2001年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”的计划，重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化过程视为能够形成与环境协调的产

业体系的现实技术5。

二、生物催化与生物转化的研究课题：新生物催化剂的发现与获得

近两年来，生物催化与生物转化的进展集中于新生物催化剂的发现与获得，以及将生物催化剂和生物转化应用于工业过程的探索。

新生物催化剂的发现

不论是从自然界筛选或是用定向进化等手段对天然酶进行改造，都需要有效的筛选或选择方法。而克服“筛选瓶颈”的关键在于微量化、高通量、自动化的操作与检测平台。克隆自动挑选仪、移液工作站、样品管理系统等自动化设备大大提高了操作效率；相比之下，高通量的检测方法则依不同反应的特性各不相同，更加考验研究者的智慧。Pohn等报道了一种高密度微克隆点阵结合光学传感和自动图像分析的筛选平台技术。通过讲适当稀释后的菌体混合培养物点样到膜上，然后再固体培养基上培养，可形成高密度的单克隆点阵；点阵可复制到含诱导物的固体培养基上诱导培养，再通过pH变化导致的荧光强度改变进行自动图像分析，可以同时对7000个微克隆中的酶活力（差异度10%-20%）进行快速检测。

近年来在生物催化剂筛选方面的不断努力，使人们得以发现其越来越广泛的应用价值。比如从多细胞担子菌灰盖鬼伞中克隆得到去饱和酶，在酵母中表达后，可以积累生成4种新的不饱和脂肪酸；应用真菌来源的内酯水解酶生产手性羟基酸；应用细菌来源的腈水解酶水解氰基化合物等获得手性羧酸和胺等。

对天然酶的改造

定向进化是对酶进行分子改造的常用方法。而建立定向进化突变体库有3中策略：随机突变，靶向突变和大片段重组。

1、随机突变：可以对蛋白质的全序列内任意位点引入替代氨基酸，有可能发现远离活性位点的突变带来的功能改进。

2、靶向突变：根据蛋白质结构信息选择出少量氨基酸位点进行随机化突变，这个方法可以有效针对活性位点产生多样化突变体。

3、大片段重组：对同一家族的多个蛋白质序列进行重组可以同时产生大量的序列变化。

定向进化在改造酶的性质方面已经取得了很多成功。定向进化技术的知名学者——Reetz MT组在2007年报道了对手性选择性杂合催化剂进行定向进化的实验结果。对酶的突变体用与过度金属结合的非手性配体进行化学修饰，形成杂合催化剂；以过渡金属催化的反应来筛选这些突变体，可以得到催化性能改善的催化剂，相应的基因则可作为下一轮随机突变进化的起点。整个过程重复几轮，可以得到手性选择性大大提高的突变体67。

三、生物催化与生物转化在各个方面的应用

生物催化与生物转化对包括化学工业、医药工业及环保在内的各产业带来极其深远的影响。在许多方面都得到了应用。

在工业上的应用

根据生物催化剂的制备和生物催化反应的关系，工业生物催化过程课分成两类：催化

过程与菌体生长耦联型，催化过程与菌体生长非耦联型。(1)催化过程与菌体的生长耦联型，菌体只有在具有生命活力的时候才能起到催化作用；菌体生长提供催化所需的催化剂，催化剂的制备和催化反应同时进行；催化的反应一般是由菌体内多种酶耦合起来催化的串联反应，其中经常涉及到氧化还原状态的变化以及一些辅酶的再生等，催化过程中副产物较多，分离负担重．比较典型的催化过程如1，32丙二醇(1，32PD)、维生素C(VC)、长链二元酸的生产等。(2)催化过程与菌体的生长非耦联型；生物催化剂的制备与酶催化过程是在不同的体系中进行的，菌体在生长时通过各种措施在菌体内积累高活力的酶，然后在反应器内进行单独催化，不需要细胞再生长．该过程催化底物比较单一，催化反应也常为一步催化。如葡萄糖异构酶、淀粉酶、腈水合酶、蛋白酶、脂肪酶等，底物的转化率较高，一般都在80％以上。89

在手性药物制备上的应用

绝大多数药物，尤其是手性药物的合成都是经多步反应完成的，虽然生物催化与转化只是其中的一步或几步，但却往往是整个合成路线的限速步骤，因此生物催化剂的选择与生物催化反应的收率、对映体过量值等都至关重要。利用常见生物催化剂制备的手性药物有立普妥、普瑞巴林等1011。

化在环保上的应用

目前已经发展的方向有微生物除污、酶生物除污等，这些方法尤其优点的同时也存在不足之处，从环境方面看，酶替代化学品或微生物有一些优点：(1)与化学法或微生物法相比，生物转化不产生毒副产物；(2)从酶的角度看，与用整个细胞相比，引人有机共溶剂或表面活性剂来提高生物利用度更可行；(3)利用重组技术，有大规模产酶的潜力，同时这些酶稳定性好、活性高、成本低12。

四、中国在生物催化与生物转化领域的研究动态

中国非常重视生物催化与生物转化的研究。2003年国家重大基础研究项目(“973”计划)“生物催化与生物转化中关键问题的基础研究”被科技部正式立项。该项目主要针对生物催化与生物转化中的几个关键问题。

(1)加快新生物催化剂发现的问题 目前筛选生物催化剂的范围十分有限，对微生物和酶的多样性认识不足。大部分微生物尚不能或没有得到培养，实际培养的微生物仅占微生物总数的0．1％～1％，而实际筛选的范围又要窄得多，而且周期太长，偶然性太多。很多产品的生物制造还没有找到合适的菌种和酶。

(2)加快生物催化剂定向改造的问题 目前改造和发展高效生物催化剂的基本工具和手段仍然比较缺乏。

(3)提高生物催化剂在工业过程中使用效率的问题天然生物催化剂在转化过程的效率低，适用性太窄。如其适应底物浓度和产物浓度低、稳定性差、对温度适应性差、耐pH值范围太窄、对非天然底物的酶活低等。对基于多酶多细胞反应体系及反应过程的理解不够深入。

该项目开展生物催化与生物转化系统的基础研究，解决一系列涉及共性的理论问题和方法问题，并在应用基础研究的平台上，进行技术创新。该项目主要研究方向如下13。

(1)生物催化多样性理论及其实现方法 探索微生物(酶)催化功能的多样性，需要研究催化功能基因多样性、微生物(酶)的多样性原理、发掘的工具和理论。开展极端微生物、未培养微生物、共生微生物及已培养微生物的生物多样性、反应多样性、催化功能多样性

的研究；研究面向生物催化的基因组学信息发掘方法，建立生物催化数据库，以开拓生物催化剂新来源，拓展对生物多样性认识水平。

(2)催化剂改造的方法学生物催化剂的改造目前尚缺乏高效的工具和手段，针对这一影响生物催化实现的瓶颈问题，开展新一代的定向进化方法的研究，研究高效生物催化剂的构效关系，完善分子设计，探索各种方法的组合。

(3)生物系统催化的理论和方法 天然生物转化的高效性及其原子经济性一般由多酶系统和多细胞系统完成。探索生物系统催化的理论和方法，揭示复杂酶系、代谢网络途径及各种微生物耦合过程作用机理，解决相应的快速测试方法学基础。

(4)生物催化剂适应性原理研究生物催化剂适应人工转化条件的规律；研究在人工环境下生物催化剂分子结构的变化、失活的机理，探讨提高生物稳定性(活性、耐盐、耐有机溶剂、温度适应性等)的一般性方法。研究与生物催化剂相适应的人工微环境因素、介质工程及生物转化过程强化的方法；探索催化剂生物特性与人工转化条件相互适应的规律。

(5)重要生物催化体系的催化机理研究重要生物催化反应体系(水解、氧化还原和不对称合成等)中酶对底物分子的识别机理、催化活性与反应特性；研究氧化还原反应关键的辅酶再生、能量耦合机理；研究不对称合成体系的非水相催化的选择性和活性特点与影响因素。

五、展望

基于微生物和酶的生物催化和生物转化技术具有生物安全性相对较好、研发投入较

少、周期较短的优势，且中国已形成良好的产业基础，是参与生物技术国际竞争的一个良好的机遇和难得的切人点，应成为我国生物技术应用研究的一个战略重点。发展生物催化与生物转化技术，对国民经济有重要意义的产品体系(大宗化学品、手性化合物、生物能源和生物材料等)提供理论和技术支撑。在我国全面建设小康社会之时，对物质的需求更加迫切，能源、环境的矛盾十分突出，重视生物催化和转化的研究也符合当前国家的发展目标。

1 《“生物催化”卷首语》 孙志浩 2005.8

2 王梦阳，陈海丽. 生物催化反应的应用 河南化工 2010.4

3 卢定强,李萍等. 生物催化与生物转化的研究进展 化工进展 2004. P585 4 欧阳藩. 冲击生物技术第三次浪潮. 生物加工过程 2003 1(1):P7

5 欧阳立明,许建和. 生物催化与生物转化研究进展 生物加工过程 2008.5 6(3):P1 6 戴丹丹. 生物催化及其应用研究进展 生物学教学 2009 34(8):P4 7 李升伟. 工业应用中的新催化剂 技术前沿

8 承勇. 生物催化反应在工业生产中的应用. 安徽教育学报 19(3):P57 9 许建和,谢谚等. 工业生物催化前线动态及名家观点 生物加工过程 2007.2 10 孙志浩. 生物催化制备手性化合物技术进展. 精细与专用化学品 14(24):5 11 徐慰悼,秦斌等. 生物催化在手性药物制备中的应用. 中国药物化学杂志 2009.12 12 介凤,吴汝林. 生物催化在环保中的应用进展 化学工业与工程技术 2006.12 13 卢定强,李萍等. 生物催化与生物转化的研究进展 化工进展 2004. P585