生物催化

生物催化中常用的有機體主要是微生物，其本質是利用微生物細胞內的酶進行催化，促進生物轉化的進程。

作用條件溫和，基本上在常溫、中性、水等環境中完成；

獨特、高效的底物選擇性（因為催化過程中的酶具有 專一性的特點，即一種酶只能催化一種特定的底物發生反應，但是一種底物則可能被多種酶催化）；

對於手性活性藥物成分的合成具有獨特的優點。

生物催化劑在反應介質中往往不穩定；

目前可用於工業化應用的生物催化劑還太少；

生物催化劑開發的周期較長。

生物催化劑能催化特定化學反應的蛋白質、RNA或它的複合體，能通過降低反應的活化能加快反應速度，但不改變反應的平衡點。絕大多數酶的化學本質是蛋白質。具有催化效率高、專一性強、作用條件溫和等特點。

酶催化作用實質：降低化學反應活化能；

高效性：酶的催化效率比無機催化劑更高，使得反應速率更快；

專一性：一種酶只能催化一種或一類底物，如蛋白酶只能催化蛋白質水解成多肽；

多樣性：酶的種類很多，大約有4000多種；

溫和性：是指酶所催化的化學反應一般是在較溫和的條件下進行的；

活性可調節性：包括抑製劑和激活劑調節、反饋抑制調節、共價修飾調節和變構調節等；

相關性：有些酶的催化性與輔因子有關；

易變性；由於大多數酶是蛋白質（少數是RNA），因而會被高溫、強酸、強鹼等破壞。

一般來說，動物體內的酶最適溫度在35到40℃之間，植物體內的酶最適溫度在40-50℃之間；細菌和真菌體內的酶最適溫度差別較大，有得酶最適溫度可高達70℃。動物體內的酶最適PH大多在6.5-8.0之間，但也有例外，如胃蛋白酶的最適PH為1.5，植物體內的酶最適PH大多在4.5-6.5之間。

酶的這些性質使細胞內錯綜複雜的物質代謝過程能有條不紊地進行，使物質代謝與正常的生理機能互相適應．若因遺傳缺陷造成某個酶缺損，或其它原因造成酶的活性減弱，均可導致該酶催化的反應異常，使物質代謝紊亂，甚至導致疾病．因此酶與醫學的關係十分密切。

食物中的蛋白質、澱粉、脂肪等大分子物質不能不能直接被消化道吸收，它們必須經過消化，由大分子物質變成易吸收的小分子物質，才能被消化道吸收。食物的消化與消化液中的酶有著密切的關係。酶是由活細胞產生的、具有催化能力的一類有機物，也稱 生物催化劑。在一定的條件（如適宜的溫度、pH）下，消化酶可將複雜的大分子物質分解為簡單的小分子物質。

相同點：改變化學反應速率，本身幾乎不被消耗；只催化已存在的化學反應；加快化學反應速率，縮短達到平衡時間，但不改變平衡點；降低活化能，使化學反應速率加快；都會出現中毒現象。

不同點：無機催化劑壽命一般比酶長的多，並且不容易中毒。酶的穩定性不如無機催化劑，成本也要高很多。但是酶擁有可怕的效率。通常酶的催化速率可達無機催化劑的一百萬倍以上。所以酶一般應用在醫學製藥等高科技，靠質量產品需求的領域。

根據酶所催化的反應性質的不同，將酶分成六大類：

氧化還原酶類（oxidoreductase）促進底物的氧化或還原。

轉移酶類（transferases）促進不同物質分子間某種化學基團的交換或轉移。

水解酶類（hydrolases）促進水解反應。

裂合酶類（lyases）催化從底物分子雙鍵上加基團或脫基團反應，即促進一種化合物分裂為兩種化合物，或由兩種化合物合成一種化合物。

異構酶類（isomerases）促進同分異構體互相轉化，即催化底物分子內部的重排反應。

合成酶類（ligase）促進兩分子化合物互相結合，同時ATP分子（或其它三磷酸核苷）中的高能磷酸鍵斷裂，即催化分子間締合反應。

按照國際生化協會公布的酶的統一分類原則，在上述六大類基礎上，在每一大類酶中又根據底物中被作用的基團或鍵的特點，分為若干亞類；為了更精確地表明底物或反應物的性質，每一個亞類再分為幾個組（亞亞類）；每個組中直接包含若干個酶。

酶可以由人工合成或生物產生。人工合成酶的成本會顯著降低，但人工能夠合成的酶的種類非常有限。只有擁有生物活性的生物體才能產生酶，但是酶可以在生物體外發揮作用。目前酶的獲取一般靠提取被培養的生物來獲得。

催化劑在反應過程中因受到污染或接觸了不能接觸的物質而效率降低甚至失效的情況稱為催化劑中毒。中毒的催化劑不能再發揮作用。

生物催化劑技術是化學生物技術的一個組成部分，作為化學合成的一種手段或工具的重要性越來越大。消費者對新產品的需求產業界要求提高收益和降低成本，政府和行政部門對加強管理的壓力以及新技術出現和科學發明等推動了生物催化劑的應用。(剖析主流資金真實目的，發現最佳獲利機會！)

儘管有高果糖玉米糖漿、甜味劑生產以及抗癌藥的生產實例，但是生物催化劑尚未顯示出其潛力，亟待產業、非盈利機構、政府部門以及學術單位和國家試驗室共同努力工作。規劃中所提出的一些目標就是為了發揮其潛力，分析技術障礙和需要解決的問題。同時為了實施此規劃，報告也提出了實施建議。

目標：生物催化劑規劃目標包括在今後20年內傳統化學工業降低物料、水和能源的消耗和污染源排放到30%。針對生物催化劑，以下以具體目標：開發比現有化學催化劑更好、更快和更廉價的生物催化劑；開發生物催化劑系列，使其能在更廣泛的反應中起催化作用，並儘可能較目前具有更廣的多用性；提高對溫度的穩定性、反應活性和溶劑兼容性；開發分子建模工作，迅速地對新型酶從頭進行設計；為生物催化劑開發創造更好的手段或工具；對公眾進行利用和創製生物催化劑的社會利益教育。

有待克服的技術障礙：

對酶和生物催化劑機制的知識有限；對二級代謝你的新陳代謝途徑（包括途徑的互相作用）了解甚少；對有機體工程化的方法甚少；許多酶的生產和生物催化劑應用的費用甚高。

實施辦法：提高對研究和開發新型、高效生物催化劑的價值和效益的認識；開發研究已取得成效的業績指標；建立執行籌備委員會監測和促進生物催化劑的開發和使用；將指南分發給恰當的貿易組織和專業學會；提高對生物催化劑價值的認識，生物催化劑能為產業領導和一定的地方機構帶來商業利益；通過基礎研究的科學家和資助機構促進對生物催化劑開發的機遇和挑戰的了解。

通過50多名專家研究，一致認為持續地促進生物催化劑開發是化學相關產業的一項重要目標，其需要廣泛而互相協調工作，要了解創造新一代環境友好的、可以盈利的多種多樣生物催化劑帶來的機遇和挑戰。消費者、工業家、環境工作者和科學家在此方面都應予以關注。

化學工業既是多樣化又是非常複雜的產業。整個化工界主要包括工業部門、學術機構和各種國家和地方試驗室。這3 類組成部分都在不同程度上進行基礎研究、應用研究和開發。不同的公司、組織和機構，根據各自不同理念和目的進行的工作是不同的。工業部門進行開發研究較多，而學術部門重點是基礎研究。有時產業部門也能進行自己的基礎研究。而一此大學和政府試驗室也常進行具有競爭力的研究開發或探索工業應用的可能。

化工企業的多樣性，強化了國家的經濟和安全．據美國化工製造商協會（CMA）報道，美國化學工業大約有100萬職工，生產7萬種產品，產值達4190億美元，是美國三大出口產業之一，強化了國家和競爭能力。上述業績尚未包括製藥工業，製藥工業在許多方面都是化學的應用領域。精細化工與通用化學品一樣需要進行類似的研究，而且更需要生物催化和生物性化劑。

化學工業中環境問題最為重要。降低環境污染是大家極為關注的問題，因而要開發完個新穎的“綠色化學”，以使化學對環境友時，減少廢物生成，降低能源利用，而且可以運用可再生資源。因此，化學工業研究的主要目標就是開發減少廢料、 CO2釋放和能量利用的工藝和產品。化學工業及其企業都要考慮可持續化石基或生物再生資源。

化學生物技術是將生物技術迅速應用於化學生產。它與綠色化學密切相關並應用可再生原料。生物技術一其他方面應用可以得到新產品、新製造方法和改進生產的經濟性，使之降低能源消耗，減少對環境的內面影響。

化學生物技術已經給化學工業結構帶來巨大衝擊，有些公司圍繞不同的生物技術創新進行收購、投資和進行改組。在食品工業中生物技術是非常普遍的，例如用酶作澱粉、飲料的生產、肉類保鮮等，今後還會給食品工業帶來更大的影響。在重組食品和農作物的基因工程等方面給生物技術帶來不定因素。在美國這些不定因素多數已被事實及對食品安全和對農業無害的信息所證明。製藥工藝應用生物技術可以放心，但是關於生物材料、織物和類似產品的政策尚未出台，這是當前十分需要的。

生物催化劑發展背景：

化學工業是多門類產業，與單獨門類的產業如鋁和玻璃的製造有很大差別。化學工業中既包括許多隻生產少量產品的小型公司又含有為數不多的生產數萬種產品、有多種工藝和中間產品的大型跨國公司。化學公司常常是供應商、用戶、中間體生產以及各種專門供應商之間發生聯繫。

在設想化學工業未來發展時常常遇到化學工業定義問題：化學工業包不包括石油化學工業；農業衍生的化學品是否屬於化學工業產品；製藥工業實際上是精細化工，但是藥品市場性質和巨大的財政狀況常使一些分析家們將它從精細化學製造業中劃出去。

“化學研究”、“生物技術”和“以化學為基礎的工業”甚至“化學工業”等定義和內涵都是辯論話題。

今後20年內將使工業發生革命。本報告指出生物技術和生物加工工藝給未來帶來的影響，並將出現一個嶄新的工業。

未來生物技術的發展：

從突破社學形成成熟的工藝到工業應用，經過長期研究開發，先進行小規模的應用再到隊規模生產。生物技術自1974年後已有少數應用。在80年代，保健產業特別是製藥從中發現其價值，同時開始其擴展。現在已有幾種利用生物技術生產的藥品問世。大宗食用化學品如乙醇、高果糖玉米糖漿、檸檬酸和氨基酸等已用細菌或酶進行生產，隨後可能尚有一些其他化學品可以投產。生物技術目的仍然由臨很多強大的社會和財政方面的衝擊：

1999年，生物技術工業銷售額134億美元，產值186億美元；

美國有1280多家生物技術公司；

該工業有970億美元投資市場，雇有15.3萬高工資的職工，研究開發費為 90 億美元；

已有90多種生物技術藥物和疫苗問世，拯救了全世界2億多人；

生物技術有責任進行數百種醫藥臨床試驗；

生物技術給許多良品如玉米、黃豆、西紅柿、胡蘿蔔和胡椒等提高營養成分；

生物技術有效地處理廢物；

DNA鑒定是生物技術過程，極大地改進了犯罪的調查工作。

化學研究是化學公司技術的孵化器，推動新技術產生、發展、應用和轉化成化學工業的核心。這些成就是與生物技術的基礎研究密切結合，其中包括大宗化學品：肥皂、洗滌劑到紡織品和合成纖維，同時也促進了受能源和環境問題驅動的綠色化學。當日益強調能源和環境因素之時，任何產業部門很難不受其影響，從燃料的脫硫到廢料的生物降解，從鋼鐵生產到礦產品精鍊。近年來許多國際權威期刊如《生物技術趨勢》《生物技術進展》等都發表文章，提出以生物技術為基礎的化學取代傳統的合成化學，如“植物工廠”以及各種具有優良催化性能的變異酶等。現在基因工程名詞已被新陳代謝工程取代，功能基因學取代了基因學，在保健產品中，手性是特別重要的。酶的手性分辨力雖不是新鮮事物，但在新型生物催化劑中應用十分主要。

生物催化劑開發的推動力：

將生物催化劑推向以化學為基礎的工業有4方面力量：

社會力量：社會需要新技術、新產品和新的生活方式。社會也需要開發新技術如減少對環境影響的技術等。

商務力量：利潤和成本降低驅動許多變革。商務需要生物催化劑使其能用低成本製備同樣的或更好的產品，因此要找到降低分離出生物製品成本的解決方法，推動生物催化劑成本下降，使之與傳統的無機和有機催化劑競爭。商務和經濟需求開發更好的技術來選擇和生產比較廉價的酶。

政府管理部門力量：對溫室氣體的關注，特別是CO2、將推動碳的封閉循環方法。例如用農作物通過新陳代謝了出來生產精細化學品。利用整個有機生物體作生物催化劑生產能量密集產品，代替石油產品使用時可產生更少的溫室氣體。基因改性有機生物體引起的管理方面的關注，要求對生物催化劑的有效性和安全性作出安全的鑒定。政府政策已經有利於在燃料乙酸生產中應用生物催化工藝，但是這些政策有可能變化。

基礎研究的壓力：基礎研究對真理的探索和發現導致了巨大的工業和實際技術的進步。這些有意義的發現常常產生很大的具有潛力影響的進展。基因工程原來只是為了解如何在類似物種中轉移基因信息，現在都用來生產救命的治療藥品如干擾素或人類生長激素，也可用來增加牛奶的產奶量，製造新的聚合物，開發新的治療用藥品。

綜上所述，4種力量分別推動生物技術的4個方面的發展：

社會壓力推動產品問世、技術方面壓力推動基礎研究和發現、管理方面壓力推動環境效應改進、商務方面壓力推動利潤提高和成本降低。

生物催化劑傳統依賴培養的篩選方法其實損失了絕大部分微生物資源。由於占群落中絕大部分的微生物不能培養，使得科學家發展了一種新方法。這種方法不需要預先培養就能開發這些微生物的基因組以用於生物技術。這一令人興奮的研究領域被稱為宏基因組學。宏基因組是指特定環境全部生物遺傳物質總和，決定生物群體生命現象。

從來源於宏基因組DNA構建的文庫中篩選新生物催化劑或基因的策略有兩種：基於活性(功能)的篩選和基於序列的篩選。無論是那種方法都要首先用合適的載體和宿主構建DNA文庫，構建小片段(<10kb)文庫可使用常規的克隆載體，但這種文庫難以檢測到大基因簇和操縱子，為了突破這種限制，研究者開始構建大片段基因文庫。常用的載體為柯斯質粒(允許插入片段的長度為25～35 kb)和BAC (約200kb)。大腸桿菌仍是最常用的宿主菌。

基於活性的篩選首先要確定能表達出所需特性的克隆，然後通過序列和生化分析表徵這些克隆，這種方法能較快地找到可用於工農業和醫藥的蛋白質和天然產物。另一種基於序列篩選的手段是對宏基因組克隆進行測序，無論是全部或隨機測序都是一種發現新基因的有效手段。

兩種篩選方法各有優缺點，互相補充，將二者巧妙結合就能從天然分子庫巾取得最大收穫。

Staathof報道中提到目前有134種工業級生物轉化，其中水解酶（44%）和氧化還原酶（30%）在工業生物催化應用中佔主導地位；

由A.Liese,K.Seelbach,C.Wandrey主編的工業生物轉化（Industrial Biotransformations，ISBN：3-527-31001-0）詳細介紹了工業應用中的酶、酶的來源、酶生產企業和相關反應的底物和產物種類和數量；

生物催化的平均效率為：產物濃度：100g/l，得率：69.5%。

生物催化與生物轉化是人類賴以生存的生態系統將太陽輻射的巨大能量加以固化與儲存的有效手段，是地球上一切生物質循環轉化的本質特徵，也是人類從石油文明向“低碳經濟”過渡的最佳途徑。生物催化與生物轉化已經作為新一代工業生物技術的主體，寫入國家的中長期科技規劃(2006—2020)，並得到973計劃和863計劃的大力支持。

藥用化合物一般是與人體內的 酶、蛋白質或其他功能性生物大分子發生特異性相互作用的活性小分子。因此，在藥物分子的製造過程中引入酶作為催化劑也就不難理解。然而，要將自然界普遍存在的生物催化過程轉化為高效的工業生產過程，不僅取決於技術上能否發現與目標分子(多數為人工合成的非天然化合物)有效結合併發生催化作用的酶，而且取決於經濟上生物催化過程相對於其他工藝路線(例如化學合成或微生物發酵)的競爭優勢。因此，相對而言生產規模較小、純度要求較高的藥物生產便自然而然地成為生物催化技術產業化應用的首選目標。

由於一系列因素的綜合作用，生物催化逐漸發展成一項變革技術。這些因素包括：

大規模及廉價的DNA測序技術；呈指數增長的基因庫數據；強大的定向進化和高通量篩選技術；高效的酶蛋白表達系統；天然產物生物合成機理的深入認識；代謝工程與途徑工程的工業化成功應用。

自2003年以來，生物催化和生物轉化技術的發展受到我國政府的高度重視。國家中長期科技發展規劃和\'863\'計劃均增列了生物催化和生物轉化專題，中國科學院和一些著名高校掀起了研究熱潮，中石化、中石油、中糧集團等國有大企業集團受到吸引，紛紛投資開發生物能源、生物材料與生物質化學品的工業技術。

我國在生物催化領域湧現了一批具有代表性的產品，主要包括大宗化學品、生物能源、食品和精細化學品等，產值已達3500億元以上。許多產品如味精、檸檬酸、青霉素和維生素C等的生產規模達到世界第一，在國際上佔有舉足輕重的地位。同時，我國成功實現了許多傳統產品的改造和升級，一批新的技術和產品正在獲得大規模工業化應用，在能源、材料和化學品製造領域大顯身手。

通過多年的建設和積累，我國已構建了新的生物催化和生物轉化的研究體系與技術平台，應用新技術手段的新菌種和酶的改造和篩選已形成體系，極大地提高了篩選效率、縮短了周期。以糧食作物和油料作物為原料的生物煉製體系形成了新的產業模式，纖維質原料規模化水解製備燃料乙醇受到青睞，秸稈氣化熱電聯產整套系統也已形成。

此外，我國精細化學品的製造技術平台也已經形成，基因工程菌發酵平台日趨成熟與完善。過程與裝備技術也得到快速發展，如模擬移動床和膜分離裝備被引入1,6-二磷酸果糖和核苷酸的大規模工業化生產中，大大減少了原材料消耗、水耗和污染物排放，降低了成本，產生了顯著的經濟效益。目前為止，我國已開展了大量的生物催化和生物轉化的研究和開發工作，並成功地對部分過程進行了綠色改造，取得了顯著效果。

生物催化是指利用酶或者生物有機體(全細胞、細胞器、組織等)作為催化劑進行化學轉化的過程，又被稱為生物轉化。生物催化具有一些化學方法無可比擬的優點：(1) 專一性強，具有獨特、高效的底物選擇性(化學選擇性、區域選擇性和立體選擇性)；(2) 環境友好，通常用水作為反應媒介(水是最綠色的溶劑)；（3）反應通常在室溫和常壓下進行，減少了能源的使用，降低了反應的不可控性；(4) 減少了保護、脫保護步驟，原子經濟性好，並能完成一些化學合成難以進行的反應。基於綠色化學的十二條準則，生物催化成為當前國際公認最綠色的化學轉化技術之一。將生物催化應用於大規模工業生產，原材料的消耗和污染物排放將會大量減少，不但緩解環境問題，成本也會降低，產生顯著的經濟效益。因此，生物催化是綠色化學與綠色化工發展的重要趨勢之一。

-----尚科生物醫藥（上海）有限公司蘇金環，祝俊．生物催化的發展與展望．生物產業技術．2010，4：28-34