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那些应用在实际生活中的生物催化酶

䊈,或作酶,酒母也。

《四库全书♦五音集韵》

现代产业对酶的解释,肯定不是指酵母菌,而是指具有催化功能的蛋白质。酶作为天然催化剂,推动细胞内各种化学反应,对于生命体的存在有着至关重要的作用。从酶这个概念被提出来,到现在成熟的酶工业,大概经历了130-40年。酶的英文是Enzyme,希腊语的翻译是 “in yeast” ,意思是从酵母中来的。在1897年,科学家把酵母菌破壁处理后,得到的提取液有将葡萄糖转化成酒精和二氧化碳的功能,从那以后,人们开始认同并探索 “某些生物大分子可催化化学反应” 这一概念。

相比于传统化学催化,蛋白催化/酶催化的高效性、少废物等特点都是十分突出的,这也是过去40年,酶工业不断崛起的原因之一。现代生物技术的发展也是促进酶工业向前推动的重要动力,当代生物技术,如测序技术(Sequencing)、蛋白定向工程(Protein Engineering)、上游发酵(Fermentation)、下游工艺(Bioprocessing),无不助力于开发和生产更复杂更高效地酶产品。相信在不久的将来,酶工业只会不断扩大,并渗透到更多传统化学工业难以扩张的领域。

聊点实际的
那么现在酶相关的工业都有哪些呢?如下图所示,这是从一篇2016年的酶行业报告中总结出来的[1]。

看到这么多酶参与的产业,小编着实有些吃惊,没想到酶的实际应用已经这么广泛了。例子太多,就举几个比较典型的。

在上面这些酶应用的领域,最常见的应该是洗衣粉制造业。洗衣粉加酶的应用可以追溯到上世纪六十年代,人们发现酶可以在比较温和的温度上催化降解顽固污渍,酶作为蛋白还可以被自然降解,没有什么环境压力。现在的洗衣粉中加入的酶主要包括:蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶。其中蛋白酶占了很大的比例,值得一提的是如今洗衣粉行业几乎所有的蛋白酶都是从芽孢杆菌属(Bacillus species)里发现的。说到这里,还不去看看你家的“雕牌洗衣粉”加的是什么酶~~~

除了洗衣粉,酶在纺织工业上又有什么应用呢?最常见的应该是对羊毛面料的酶处理。早在上世纪八十年代,人们就开始用蛋白酶处理羊毛面料以防止缩水现象的发生。传统的羊毛面料都需要经过氯处理(chlorine-hercosett process)来防缩,但这个方法不环保,后期的酶处理就好很多。如下图所示,酶处理对面料防缩的影响。要说明的是,一次7A漂洗可以理解为普通洗衣机洗一次的力度和时长,一次5A漂洗相当于十次普通洗衣机洗羊毛制品的力度,7A和5A的漂洗温度均为40摄氏度。

除了生产用酶外,食品产业对酶的需求也是挺大的,下面这个饼图就是2015年全球酶工业的销售额,食品产业的酶销量达到13亿美元,是除生产用酶外,需求量最大的[1]。

在食品产业,最常见的酶应用应该是淀粉酶(amylase)和葡萄糖苷酶(amyloglucosidase)水解淀粉,水解后的淀粉会产生小分子单糖或多糖,给食物以甜味。除此以外,还有利用葡萄糖异构酶(glucose isomerase)来催化葡萄糖来生产果糖糖浆的例子。到2009年为止,已经有200种用于食物生产和加工的酶在食品产业广泛应用,其中57种酶是直接由GMO(Genetically modified microorganism=基因改造菌株)生产的。

说点学术的
酶,说到底就是蛋白质而已,既然未来对酶的需求只多不少,可知未来对催化蛋白的开发和优化必不可少。那么什么是开发和优化呢?

假如你是一个工厂厂主,想要生产酶制剂,你肯定希望你的酶拥有生产成本低,产品稳定性高,酶催化效率高等等特点。但是自然界中发现的酶,大多是不具备这些特点的,那么,你要么去自然界寻找发现更符合生产要求的酶,或者是改造现有的酶以满足你的期望。这就是所谓的开发和优化。

那么现在主流的开发/优化策略有哪些呢?如下图,相信这些主流的策略对工程蛋白的同学来说并不陌生,详细就不赘述了,每种策略都有对应的简笔画,随意看看咯!值得说的是,策略C/D/E都牵扯到建库,所以筛选方法至关重要,特别是一些高通量的方法会十分适用,这个话题我们以后再说吧~~

Reference
[1] Jemli, S., Ayadi-Zouari, D., Hlima, H. B., & Bejar, S. (2016). Biocatalysts : application and engineering for industrial purposes. Critical reviews in biotechnology, 36(2), 246-258.
[2] Lobedanz, S., Damhus, T., Borchert, T. V., Hansen, T. T., Lund, H., Lai, W.,& Kirk, O. (2016). Enzymes in Industrial Biotechnology. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology.

作者: 卢阳

伦敦大学学院博士,研究方向为生物催化和细胞色素P450开发;BioEngX创始人之一。知乎主页:簏岩。



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