生物催化

生物催化（biocatalysis）是指利用酶或者生物有机体（细胞、细胞器、组织等）作为催化剂进行化学转化的过程，这种反应过程又称为生物转化（biotransformation）。

生物催化中常用的有机体主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶进行催化，促进生物转化的进程。

作用条件温和，基本上在常温、中性、水等环境中完成；独特、高效的底物选择性（因为催化过程中的酶具有 专一性的特点，即一种酶只能催化一种特定的底物发生反应，但是一种底物则可能被多种酶催化）；对于手性活性药物成分的合成具有独特的优点。

生物催化剂在反应介质中往往不稳定；目前可用于工业化应用的生物催化剂还太少；生物催化剂开发的周期较长。

生物催化剂能催化特定化学反应的蛋白质、RNA或它的复合体，能通过降低反应的活化能加快反应速度，但不改变反应的平衡点。绝大多数酶的化学本质是蛋白质。具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。酶催化作用实质：降低化学反应活化能；高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快；专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽；多样性：酶的种类很多，大约有4000多种；温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的；活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等；相关性：有些酶的催化性与辅因子有关；易变性；由于大多数酶是蛋白质（少数是RNA），因而会被高温、强酸、强碱等破坏。一般来说，动物体内的酶最适温度在35到40℃之间，植物体内的酶最适温度在40-50℃之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有得酶最适温度可高达70℃。动物体内的酶最适PH大多在6.5-8.0之间，但也有例外，如胃蛋白酶的最适PH为1.5，植物体内的酶最适PH大多在4.5-6.5之间。酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应．若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其它原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至导致疾病．因此酶与医学的关系十分密切。

食物中的蛋白质、淀粉、脂肪等大分子物质不能不能直接被消化道吸收，它们必须经过消化，由大分子物质变成易吸收的小分子物质，才能被消化道吸收。食物的消化与消化液中的酶有着密切的关系。酶是由活细胞产生的、具有催化能力的一类有机物，也称 生物催化剂。在一定的条件（如适宜的温度、pH）下，消化酶可将复杂的大分子物质分解为简单的小分子物质。

相同点：改变化学反应速率，本身几乎不被消耗；只催化已存在的化学反应；加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点；降低活化能，使化学反应速率加快；都会出现中毒现象。不同点：无机催化剂寿命一般比酶长的多，并且不容易中毒。酶的稳定性不如无机催化剂，成本也要高很多。但是酶拥有可怕的效率。通常酶的催化速率可达无机催化剂的一百万倍以上。所以酶一般应用在医学制药等高科技，靠质量产品需求的领域。

根据酶所催化的反应性质的不同，将酶分成六大类：氧化还原酶类（oxidoreductase）促进底物的氧化或还原。转移酶类（transferases）促进不同物质分子间某种化学基团的交换或转移。水解酶类（hydrolases）促进水解反应。裂合酶类（lyases）催化从底物分子双键上加基团或脱基团反应，即促进一种化合物分裂为两种化合物，或由两种化合物合成一种化合物。异构酶类（isomerases）促进同分异构体互相转化，即催化底物分子内部的重排反应。合成酶类（ligase）促进两分子化合物互相结合，同时ATP分子（或其它三磷酸核苷）中的高能磷酸键断裂，即催化分子间缔合反应。按照国际生化协会公布的酶的统一分类原则，在上述六大类基础上，在每一大类酶中又根据底物中被作用的基团或键的特点，分为若干亚类；为了更精确地表明底物或反应物的性质，每一个亚类再分为几个组（亚亚类）；每个组中直接包含若干个酶。

酶可以由人工合成或生物产生。人工合成酶的成本会显著降低，但人工能够合成的酶的种类非常有限。只有拥有生物活性的生物体才能产生酶，但是酶可以在生物体外发挥作用。目前酶的获取一般靠提取被培养的生物来获得。

催化剂在反应过程中因受到污染或接触了不能接触的物质而效率降低甚至失效的情况称为催化剂中毒。中毒的催化剂不能再发挥作用。

生物催化剂技术是化学生物技术的一个组成部分，作为化学合成的一种手段或工具的重要性越来越大。消费者对新产品的需求产业界要求提高收益和降低成本，政府和行政部门对加强管理的压力以及新技术出现和科学发明等推动了生物催化剂的应用。(剖析主流资金真实目的，发现最佳获利机会！)尽管有高果糖玉米糖浆、甜味剂生产以及抗癌药的生产实例，但是生物催化剂尚未显示出其潜力，亟待产业、非盈利机构、政府部门以及学术单位和国家试验室共同努力工作。规划中所提出的一些目标就是为了发挥其潜力，分析技术障碍和需要解决的问题。同时为了实施此规划，报告也提出了实施建议。目标：生物催化剂规划目标包括在今后20年内传统化学工业降低物料、水和能源的消耗和污染源排放到30%。针对生物催化剂，以下以具体目标：开发比现有化学催化剂更好、更快和更廉价的生物催化剂；开发生物催化剂系列，使其能在更广泛的反应中起催化作用，并尽可能较目前具有更广的多用性；提高对温度的稳定性、反应活性和溶剂兼容性；开发分子建模工作，迅速地对新型酶从头进行设计；为生物催化剂开发创造更好的手段或工具；对公众进行利用和创制生物催化剂的社会利益教育。有待克服的技术障碍：对酶和生物催化剂机制的知识有限；对二级代谢你的新陈代谢途径（包括途径的互相作用）了解甚少；对有机体工程化的方法甚少；许多酶的生产和生物催化剂应用的费用甚高。实施办法：提高对研究和开发新型、高效生物催化剂的价值和效益的认识；开发研究已取得成效的业绩指标；建立执行筹备委员会监测和促进生物催化剂的开发和使用；将指南分发给恰当的贸易组织和专业学会；提高对生物催化剂价值的认识，生物催化剂能为产业领导和一定的地方机构带来商业利益；通过基础研究的科学家和资助机构促进对生物催化剂开发的机遇和挑战的了解。通过50多名专家研究，一致认为持续地促进生物催化剂开发是化学相关产业的一项重要目标，其需要广泛而互相协调工作，要了解创造新一代环境友好的、可以盈利的多种多样生物催化剂带来的机遇和挑战。消费者、工业家、环境工作者和科学家在此方面都应予以关注。

化学工业既是多样化又是非常复杂的产业。整个化工界主要包括工业部门、学术机构和各种国家和地方试验室。这3 类组成部分都在不同程度上进行基础研究、应用研究和开发。不同的公司、组织和机构，根据各自不同理念和目的进行的工作是不同的。工业部门进行开发研究较多，而学术部门重点是基础研究。有时产业部门也能进行自己的基础研究。而一此大学和政府试验室也常进行具有竞争力的研究开发或探索工业应用的可能。化工企业的多样性，强化了国家的经济和安全．据美国化工制造商协会（CMA）报道，美国化学工业大约有100万职工，生产7万种产品，产值达4190亿美元，是美国三大出口产业之一，强化了国家和竞争能力。上述业绩尚未包括制药工业，制药工业在许多方面都是化学的应用领域。精细化工与通用化学品一样需要进行类似的研究，而且更需要生物催化和生物性化剂。化学工业中环境问题最为重要。降低环境污染是大家极为关注的问题，因而要开发完个新颖的“绿色化学”，以使化学对环境友时，减少废物生成，降低能源利用，而且可以运用可再生资源。因此，化学工业研究的主要目标就是开发减少废料、 CO2释放和能量利用的工艺和产品。化学工业及其企业都要考虑可持续化石基或生物再生资源。化学生物技术是将生物技术迅速应用于化学生产。它与绿色化学密切相关并应用可再生原料。生物技术一其他方面应用可以得到新产品、新制造方法和改进生产的经济性，使之降低能源消耗，减少对环境的内面影响。化学生物技术已经给化学工业结构带来巨大冲击，有些公司围绕不同的生物技术创新进行收购、投资和进行改组。在食品工业中生物技术是非常普遍的，例如用酶作淀粉、饮料的生产、肉类保鲜等，今后还会给食品工业带来更大的影响。在重组食品和农作物的基因工程等方面给生物技术带来不定因素。在美国这些不定因素多数已被事实及对食品安全和对农业无害的信息所证明。制药工艺应用生物技术可以放心，但是关于生物材料、织物和类似产品的政策尚未出台，这是当前十分需要的。生物催化剂发展背景：化学工业是多门类产业，与单独门类的产业如铝和玻璃的制造有很大差别。化学工业中既包括许多只生产少量产品的小型公司又含有为数不多的生产数万种产品、有多种工艺和中间产品的大型跨国公司。化学公司常常是供应商、用户、中间体生产以及各种专门供应商之间发生联系。在设想化学工业未来发展时常常遇到化学工业定义问题：化学工业包不包括石油化学工业；农业衍生的化学品是否属于化学工业产品；制药工业实际上是精细化工，但是药品市场性质和巨大的财政状况常使一些分析家们将它从精细化学制造业中划出去。“化学研究”、“生物技术”和“以化学为基础的工业”甚至“化学工业”等定义和内涵都是辩论话题。今后20年内将使工业发生革命。本报告指出生物技术和生物加工工艺给未来带来的影响，并将出现一个崭新的工业。未来生物技术的发展：从突破社学形成成熟的工艺到工业应用，经过长期研究开发，先进行小规模的应用再到队规模生产。生物技术自1974年后已有少数应用。在80年代，保健产业特别是制药从中发现其价值，同时开始其扩展。现在已有几种利用生物技术生产的药品问世。大宗食用化学品如乙醇、高果糖玉米糖浆、柠檬酸和氨基酸等已用细菌或酶进行生产，随后可能尚有一些其他化学品可以投产。生物技术目的仍然由临很多强大的社会和财政方面的冲击：1999年，生物技术工业销售额134亿美元，产值186亿美元；美国有1280多家生物技术公司；该工业有970亿美元投资市场，雇有15.3万高工资的职工，研究开发费为 90 亿美元；已有90多种生物技术药物和疫苗问世，拯救了全世界2亿多人；生物技术有责任进行数百种医药临床试验；生物技术给许多良品如玉米、黄豆、西红柿、胡萝卜和胡椒等提高营养成分；生物技术有效地处理废物；DNA鉴定是生物技术过程，极大地改进了犯罪的调查工作。化学研究是化学公司技术的孵化器，推动新技术产生、发展、应用和转化成化学工业的核心。这些成就是与生物技术的基础研究密切结合，其中包括大宗化学品：肥皂、洗涤剂到纺织品和合成纤维，同时也促进了受能源和环境问题驱动的绿色化学。当日益强调能源和环境因素之时，任何产业部门很难不受其影响，从燃料的脱硫到废料的生物降解，从钢铁生产到矿产品精炼。近年来许多国际权威期刊如《生物技术趋势》《生物技术进展》等都发表文章，提出以生物技术为基础的化学取代传统的合成化学，如“植物工厂”以及各种具有优良催化性能的变异酶等。现在基因工程名词已被新陈代谢工程取代，功能基因学取代了基因学，在保健产品中，手性是特别重要的。酶的手性分辨力虽不是新鲜事物，但在新型生物催化剂中应用十分主要。生物催化剂开发的推动力：将生物催化剂推向以化学为基础的工业有4方面力量：社会力量：社会需要新技术、新产品和新的生活方式。社会也需要开发新技术如减少对环境影响的技术等。商务力量：利润和成本降低驱动许多变革。商务需要生物催化剂使其能用低成本制备同样的或更好的产品，因此要找到降低分离出生物制品成本的解决方法，推动生物催化剂成本下降，使之与传统的无机和有机催化剂竞争。商务和经济需求开发更好的技术来选择和生产比较廉价的酶。政府管理部门力量：对温室气体的关注，特别是CO2、将推动碳的封闭循环方法。例如用农作物通过新陈代谢了出来生产精细化学品。利用整个有机生物体作生物催化剂生产能量密集产品，代替石油产品使用时可产生更少的温室气体。基因改性有机生物体引起的管理方面的关注，要求对生物催化剂的有效性和安全性作出安全的鉴定。政府政策已经有利于在燃料乙酸生产中应用生物催化工艺，但是这些政策有可能变化。基础研究的压力：基础研究对真理的探索和发现导致了巨大的工业和实际技术的进步。这些有意义的发现常常产生很大的具有潜力影响的进展。基因工程原来只是为了解如何在类似物种中转移基因信息，现在都用来生产救命的治疗药品如干扰素或人类生长激素，也可用来增加牛奶的产奶量，制造新的聚合物，开发新的治疗用药品。综上所述，4种力量分别推动生物技术的4个方面的发展：社会压力推动产品问世、技术方面压力推动基础研究和发现、管理方面压力推动环境效应改进、商务方面压力推动利润提高和成本降低。

生物催化剂传统依赖培养的筛选方法其实损失了绝大部分微生物资源。由于占群落中绝大部分的微生物不能培养，使得科学家发展了一种新方法。这种方法不需要预先培养就能开发这些微生物的基因组以用于生物技术。这一令人兴奋的研究领域被称为宏基因组学。宏基因组是指特定环境全部生物遗传物质总和，决定生物群体生命现象。从来源于宏基因组DNA构建的文库中筛选新生物催化剂或基因的策略有两种：基于活性(功能)的筛选和基于序列的筛选。无论是那种方法都要首先用合适的载体和宿主构建DNA文库，构建小片段(<10kb)文库可使用常规的克隆载体，但这种文库难以检测到大基因簇和操纵子，为了突破这种限制，研究者开始构建大片段基因文库。常用的载体为柯斯质粒(允许插入片段的长度为25～35 kb)和BAC (约200kb)。大肠杆菌仍是最常用的宿主菌。基于活性的筛选首先要确定能表达出所需特性的克隆，然后通过序列和生化分析表征这些克隆，这种方法能较快地找到可用于工农业和医药的蛋白质和天然产物。另一种基于序列筛选的手段是对宏基因组克隆进行测序，无论是全部或随机测序都是一种发现新基因的有效手段。两种筛选方法各有优缺点，互相补充，将二者巧妙结合就能从天然分子库巾取得最大收获。

Staathof报道中提到目前有134种工业级生物转化，其中水解酶（44%）和氧化还原酶（30%）在工业生物催化应用中占主导地位；由A.Liese,K.Seelbach,C.Wandrey主编的工业生物转化（Industrial Biotransformations，ISBN：3-527-31001-0）详细介绍了工业应用中的酶、酶的来源、酶生产企业和相关反应的底物和产物种类和数量；生物催化的平均效率为：产物浓度：100g/l，得率：69.5%。

生物催化与生物转化是人类赖以生存的生态系统将太阳辐射的巨大能量加以固化与储存的有效手段，是地球上一切生物质循环转化的本质特征，也是人类从石油文明向“低碳经济”过渡的最佳途径。生物催化与生物转化已经作为新一代工业生物技术的主体，写入国家的中长期科技规划(2006—2020)，并得到973计划和863计划的大力支持。药用化合物一般是与人体内的 酶、蛋白质或其他功能性生物大分子发生特异性相互作用的活性小分子。因此，在药物分子的制造过程中引入酶作为催化剂也就不难理解。然而，要将自然界普遍存在的生物催化过程转化为高效的工业生产过程，不仅取决于技术上能否发现与目标分子(多数为人工合成的非天然化合物)有效结合并发生催化作用的酶，而且取决于经济上生物催化过程相对于其他工艺路线(例如化学合成或微生物发酵)的竞争优势。因此，相对而言生产规模较小、纯度要求较高的药物生产便自然而然地成为生物催化技术产业化应用的首选目标。由于一系列因素的综合作用，生物催化逐渐发展成一项变革技术。这些因素包括：大规模及廉价的DNA测序技术；呈指数增长的基因库数据；强大的定向进化和高通量筛选技术；高效的酶蛋白表达系统；天然产物生物合成机理的深入认识；代谢工程与途径工程的工业化成功应用。自2003年以来，生物催化和生物转化技术的发展受到我国政府的高度重视。国家中长期科技发展规划和'863'计划均增列了生物催化和生物转化专题，中国科学院和一些著名高校掀起了研究热潮，中石化、中石油、中粮集团等国有大企业集团受到吸引，纷纷投资开发生物能源、生物材料与生物质化学品的工业技术。

我国在生物催化领域涌现了一批具有代表性的产品，主要包括大宗化学品、生物能源、食品和精细化学品等，产值已达3500亿元以上。许多产品如味精、柠檬酸、青霉素和维生素C等的生产规模达到世界第一，在国际上占有举足轻重的地位。同时，我国成功实现了许多传统产品的改造和升级，一批新的技术和产品正在获得大规模工业化应用，在能源、材料和化学品制造领域大显身手。通过多年的建设和积累，我国已构建了新的生物催化和生物转化的研究体系与技术平台，应用新技术手段的新菌种和酶的改造和筛选已形成体系，极大地提高了筛选效率、缩短了周期。以粮食作物和油料作物为原料的生物炼制体系形成了新的产业模式，纤维质原料规模化水解制备燃料乙醇受到青睐，秸秆气化热电联产整套系统也已形成。此外，我国精细化学品的制造技术平台也已经形成，基因工程菌发酵平台日趋成熟与完善。过程与装备技术也得到快速发展，如模拟移动床和膜分离装备被引入1,6-二磷酸果糖和核苷酸的大规模工业化生产中，大大减少了原材料消耗、水耗和污染物排放，降低了成本，产生了显著的经济效益。目前为止，我国已开展了大量的生物催化和生物转化的研究和开发工作，并成功地对部分过程进行了绿色改造，取得了显著效果。生物催化是指利用酶或者生物有机体(全细胞、细胞器、组织等)作为催化剂进行化学转化的过程，又被称为生物转化。生物催化具有一些化学方法无可比拟的优点：(1) 专一性强，具有独特、高效的底物选择性(化学选择性、区域选择性和立体选择性)；(2) 环境友好，通常用水作为反应媒介(水是最绿色的溶剂)；（3）反应通常在室温和常压下进行，减少了能源的使用，降低了反应的不可控性；(4) 减少了保护、脱保护步骤，原子经济性好，并能完成一些化学合成难以进行的反应。基于绿色化学的十二条准则，生物催化成为当前国际公认最绿色的化学转化技术之一。将生物催化应用于大规模工业生产，原材料的消耗和污染物排放将会大量减少，不但缓解环境问题，成本也会降低，产生显著的经济效益。因此，生物催化是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一。-----尚科生物医药（上海）有限公司苏金环，祝俊．生物催化的发展与展望．生物产业技术．2010，4：28-34