酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用

1、酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用18 鄭峰摘要：酶工程是現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)的重要組成部分，它作為一項(xiàng)高新技術(shù)，為各工業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，本文簡(jiǎn)要介紹了酶固定化、基因工程菌(細(xì)胞)的固定化、植物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶、酶的化學(xué)修飾、核酸酶、杭體酶、酶標(biāo)藥物的理論和技術(shù)研究的最新進(jìn)展以及酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)酶工程的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：酶工程；酶的固定化；核酸酶；抗體酶；醫(yī)藥應(yīng)用 目錄一、酶工程技術(shù)3（一）酶和細(xì)胞的固定化3（二）酶的化學(xué)修飾3（三）核酸酶和抗體酶4（四）酶標(biāo)藥物4（五）職務(wù)細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶5二、酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用5（一）應(yīng)用酶工程制備生物代謝產(chǎn)物5（二）應(yīng)用酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)

2、化鑿體6（三） 應(yīng)用酶工程生產(chǎn)抗生素6（四）應(yīng)用酶工程生產(chǎn)氨基酸和有機(jī)酸6（五）應(yīng)用酶工程生產(chǎn)維生素7（六）應(yīng)用酶工程生產(chǎn)核苷酸類藥物7三、酶工程在醫(yī)療中的應(yīng)用7四、展望8參考文獻(xiàn):9 一、酶工程技術(shù)（一）酶和細(xì)胞的固定化 將酶或細(xì)胞通過(guò)物理或化學(xué)方法固定在水溶性或非水溶性的膜狀、顆粒狀、管狀的載體土，稱為固定化酶或固定化細(xì)胞。我國(guó)研制過(guò)的固定化酶(細(xì)胞)已有50種左右，分為二種類型:固定化單酶或含特定酶的細(xì)胞、固定化雙酶、固定化各類激酶構(gòu)成ATP再生系統(tǒng)。一般能明顯地提高酶對(duì)熱與酸堿度的穩(wěn)定性。固定化的方法主要有吸附、共價(jià)結(jié)合、包埋和選擇性熱變性等。目前又發(fā)展了利用光、輻射等物理技術(shù)和定點(diǎn)固

3、定化技術(shù)固定酶1。在制藥工業(yè)中包埋法應(yīng)用較多，其次是吸附法。固定化細(xì)胞包括微生物細(xì)胞(含基因工程菌)、動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞,目前更多地注重活細(xì)胞和增殖細(xì)胞的固定化。植物細(xì)胞固定化大多采用包埋法，至今已報(bào)道了固定化南洋金花、煙草、胡蘿卜等十多種細(xì)胞的研究,植物細(xì)胞固定化技術(shù)在中藥有效成分的生產(chǎn)應(yīng)用研究上有更好的前景。動(dòng)物細(xì)胞只有吸附和包埋法得以成功。目前動(dòng)物細(xì)胞微囊化法用得最多的是聚賴氨酸/海藻酸(PIJL/Al,G)法，細(xì)胞生長(zhǎng)密度可達(dá)106一109個(gè)·mL。微囊化細(xì)胞主要有兩方面的應(yīng)用：培養(yǎng)微囊化動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)一些藥物；作為藥物直接用于治療或作為藥物篩選之用，如用來(lái)生產(chǎn)單克隆抗體、干擾

4、素、組織纖溶酶原激活劑(TPA)、自細(xì)胞介素、胰島素生長(zhǎng)因子和乙肝病毒表面抗原等。未來(lái)將有一大批具有生物活性的蛋白質(zhì)可依靠固定化細(xì)胞在生物體外大規(guī)模的合成。應(yīng)用基因重組技術(shù)將生物細(xì)胞中存在極少的催化某一生化反應(yīng)的酶通過(guò)基因擴(kuò)增和增強(qiáng)表達(dá)，建立高效表達(dá)特定酶制劑的基因工程菌或基因工程細(xì)胞，從而進(jìn)一步構(gòu)建成固定化一工程菌或固定化工程細(xì)胞的新一代催化劑。如德國(guó)BM公司應(yīng)用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對(duì)表達(dá)青霉素酞化的基因進(jìn)行點(diǎn)突變改造，重建了青霉素酞化酶工程菌，從而大大延長(zhǎng)了固定化青霉素酞化酶的使用半衰期，其酶柱可連續(xù)使用700d以上2。（二）酶的化學(xué)修飾酶的化學(xué)修飾是指利用化學(xué)手段將某些化學(xué)物質(zhì)或基團(tuán)結(jié)合到酶分

5、子上，或?qū)⒚阜肿拥哪巢糠謩h除或置換,改變酶的理化性質(zhì),最終達(dá)到改變酶的催化性質(zhì)的目的。修飾劑的選用和修飾方法分為：（1）修飾酶的功能基團(tuán)如氨基、經(jīng)基、咪哇基等可離解基團(tuán)，如抗白血病藥物天冬酞胺酶3，（2）進(jìn)行酶分子內(nèi)或分子間交聯(lián)，應(yīng)用某些雙功能試劑分子兩端的功能基團(tuán)可使酶分子內(nèi)或分子間膚鏈的兩個(gè)游離氨基分別發(fā)生交聯(lián)，如交聯(lián)后的人a一半乳糖昔酶A,其熱穩(wěn)定性和抗蛋白酶的性能都有明顯提高，（3）酶與高分子化合物結(jié)合后，可以增加酶的穩(wěn)定性和活力。例如抗白血病藥物天冬酞胺酶經(jīng)游離氨作用、酞化反應(yīng)進(jìn)行修飾后，在血漿中的穩(wěn)定性有很大提高；胰凝乳蛋白酶與水溶性大分子化合物右旋糖醉結(jié)合后,其催化活力提高4倍4

6、。常用修飾劑主要有乙酸配、氮芥類、磷氧酞氯、環(huán)氧丙烷、重氮鹽類、經(jīng)胺等5。（三）核酸酶和抗體酶核酸類酶(Ribozyme)是一類由核糖核酸(RNA)組成的酶，具有核酸序列的高度特異性，從而具有很大的應(yīng)用價(jià)值。只要知道某種核酸酶的核昔酸序列，就可以設(shè)計(jì)合成催化其自我切割和斷裂的核酸組成，根據(jù)這些基因組的全部序列，就可以設(shè)計(jì)并合成出防治由這些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶,如能夠防治流感、肝炎、艾滋病和煙草花葉病等。核酸酶也可以治療某些遺傳病和癌癥,還可以用作研究核酸圖譜和基因表達(dá)工具?？贵w酶（Abzyme）又稱為催化性抗體，是一類具有生物催化功能的抗體分子，可以采用誘導(dǎo)法和修飾法獲得?？贵w

7、酶已經(jīng)用于酶作用機(jī)理的研究、手性藥物的合成和拆分、抗癌藥物的制備等。（四）酶標(biāo)藥物近來(lái)，人們可以根據(jù)藥物在生物體內(nèi)可能的作用目標(biāo)（如酶或受體）來(lái)設(shè)計(jì)藥物，由此獲得的藥物被稱為酶標(biāo)藥物。目前，這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為藥物設(shè)計(jì)的主流，在新藥設(shè)計(jì)中發(fā)揮了巨大的作用。血管緊張素肽轉(zhuǎn)換酶（ACE）抑制劑是酶標(biāo)藥物的一個(gè)成功的實(shí)例，AEC抑制劑已經(jīng)成為重要的常用降壓藥物。近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，艾滋病的感染和傳播，主要是由艾滋病病毒顆粒表面的蛋白酶引起的。因此，艾滋病病毒蛋白酶的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)，人們希望通過(guò)對(duì)艾滋病病毒蛋白酶抑制劑的研究，尋找出防止艾滋病病毒感染和治療艾滋病的方法。（五）職務(wù)細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶首先，選擇適

8、宜的植物外植體，經(jīng)誘導(dǎo)、選育得到優(yōu)良的植物細(xì)胞，再在人工控制條件的生物反應(yīng)器中培養(yǎng)植物細(xì)胞,以生產(chǎn)色素、香精和藥物等次級(jí)代謝物。植物細(xì)胞培養(yǎng)不受地理環(huán)境和氣候條件等的影響,具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)率高等顯著特點(diǎn),已經(jīng)發(fā)展成為生物五程研究和開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。郭勇7、先后進(jìn)行了植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)次級(jí)代謝物的研究,選育出了優(yōu)良的木瓜細(xì)胞、大蒜細(xì)胞、鼠尾草細(xì)胞、玫瑰茄細(xì)胞、黃花篙細(xì)胞、胡蘿卜細(xì)胞、巴戟天細(xì)胞和銀杏細(xì)胞等,分別用于生產(chǎn)木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶等藥用酶以及色素、藥物等次級(jí)代謝物。曾慶平等呂在國(guó)內(nèi)外首次采用植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),從木瓜外植體的木瓜細(xì)胞中經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)木瓜凝乳蛋

9、自酶。該成果已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利。二、酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)代酶工程具有技術(shù)先進(jìn)、投資小、工藝簡(jiǎn)單、能耗糧耗低、產(chǎn)品收率高、效率高、效益大和污染小等優(yōu)點(diǎn),成為化學(xué)、醫(yī)藥工業(yè)應(yīng)用方面的主力軍。以往采用化學(xué)合成、微生物發(fā)酵及生物材料提取等傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的藥品，皆可通過(guò)現(xiàn)代酶工程生產(chǎn)，甚至可獲得傳統(tǒng)技術(shù)不可能得到的昂貴藥品，如人胰島素、McAb、lFN、6一APA、7一ACA及7一ADCA等。固定化基因工程菌、工程細(xì)胞以及固定化技術(shù)與連續(xù)生物反應(yīng)器的巧妙結(jié)合，將導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵工業(yè)和化學(xué)合成工業(yè)的根本性變革。（一）應(yīng)用酶工程制備生物代謝產(chǎn)物 應(yīng)用固定化細(xì)胞可大量生產(chǎn)各種初級(jí)或中間產(chǎn)物，如糖、有機(jī)酸和

10、氨基酸等。產(chǎn)品有D葡萄糖、D一果糖、甘油、1，6一二磷酸果糖、檸檬酸、蘋果酸、富馬酸、乳酸、右旋糖醉、丙氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸等利用酶工程技術(shù)生產(chǎn)抗菌素、色素、生物堿、性引誘劑、信息素等生物次級(jí)代謝產(chǎn)物,典型的產(chǎn)品有6一氨基青霉烷酸(6一APA)、7一烷基頭袍烷酸(7一AC八)及7一氨基脫乙酞氧頭抱烷酸(7一ADCA)、麥角生物堿、輕化孕酮、可的松和肉瘤堿等。我國(guó)用固定化大環(huán)內(nèi)脂一4一丙醋化酶將螺旋霉素轉(zhuǎn)化為丙酞螺旋霉素,用固定化生產(chǎn)米卡鏈霉菌突變菌株也可完成產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。（二）應(yīng)用酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化鑿體 利用微生物酶工程技術(shù)不僅研究提高某一步轉(zhuǎn)化反應(yīng)的專一性和收率或?qū)ふ夷骋晦D(zhuǎn)化反

11、應(yīng)代替某一個(gè)用化學(xué)合成法難以進(jìn)行的反應(yīng),而且進(jìn)一步綜合應(yīng)用了酶抑制劑、生化阻斷突變株和細(xì)胞通透性的改變等生物技術(shù)從而制得了雄街一1,4一二烯一3,17一二酮(ADD)、雄街一4一烯一3,17一二酮(;lAD)和3一氧聯(lián)降膽肖-王,4一二烯一2。酸(BDA)等關(guān)鍵中間體,使復(fù)雜的天然資源經(jīng)過(guò)兒步反應(yīng)就合成了各種性激素和皮質(zhì)激素。應(yīng)用固定化微生物細(xì)胞技術(shù)可生產(chǎn)強(qiáng)的松、11一去氧強(qiáng)的松、氫化可的松、一膽街烯酮、一雄二烯一3,17一二酮等幽體化合物。（三） 應(yīng)用酶工程生產(chǎn)抗生素 應(yīng)用酶工程可以制備6一APA仁青霉素酞化酶、7-ACA頭抱菌素酞化酶、頭抱菌素W仁頭抱菌素酞化酶、7一ADCA仁青霉素V酞化

12、酶、脫乙酸頭抱菌素仁頭抱菌素乙酸醋酶,近年來(lái)還進(jìn)行固定化產(chǎn)黃青霉(青霉素合成酶系)細(xì)胞生產(chǎn)青霉素的研究,合成青霉索和頭抱菌素前體物的最新工藝也采用酶工程的方法。（四）應(yīng)用酶工程生產(chǎn)氨基酸和有機(jī)酸生產(chǎn)DL一氨基酸氨基酞化酶口、I廠賴氨酸仁二氨基庚二酸脫梭酶或二氨基:一己內(nèi)酞氨水解酶和消旋酶、尿醉酸L一組氨酸氨解酶、L一酪氨酸及卜多巴戶酪氨酸酶、L一天冬氨酸天冬氨酸合成酶、I一苯丙氨酸廠苯丙氨酸氨解酶、L一谷氨酸L一谷氨酸合成酶三、I廠絲氨酸仁轉(zhuǎn)甲基酶、I廠色氨酸仁色氨酸合成酶、天冬酞胺仁天冬酸胺合成酶、谷膚甘膚復(fù)合酶系y一氨基丁酸仁谷氨酸脫梭酶、谷氨酞胺谷氨酞胺合成酶皿等，氨基酸。生產(chǎn)乳酸乳酸合

13、成酶系、葡萄糖酸仁葡萄糖氧化酶與過(guò)氧化氫酶、I洲一蘋果酸仁延胡索酸酶習(xí)、長(zhǎng)鏈二梭酸加氧酶和脫氫酶、衣康酸復(fù)合酶系、IJ(+)-酒石酸環(huán)氧唬拍酸水解酶等有機(jī)酸。（五）應(yīng)用酶工程生產(chǎn)維生素制造2一酮基一I廠古龍?zhí)撬嵘嚼嫣敲摎涿讣癓一山梨糖醛氧化酶、肌醇肌醇合成酶、L-肉毒堿膽堿酯酶、CoACoA合成酶系等。由山梨醇和葡萄糖生產(chǎn)維生素及丙烯酰胺的生產(chǎn)也采用酶工程的方法。（六）應(yīng)用酶工程生產(chǎn)核苷酸類藥物腺嘌呤核苷酸（AMP）由生產(chǎn)蛋白假絲醇母菌體用熱水提取核酸，再經(jīng)核酸酶水解制得。脫氧核苷酸由魚蛋白提取脫氧核糖核酸（DNA）后，經(jīng)5-磷酸二酯酶酶解制得。先由富含核酸的動(dòng)植物（花粉等）提取核糖核酸（RN

14、A），再用5-磷酸二酯酶酶解為磷酸腺苷（AMP）、磷酸胞苷（CMP）、磷酸尿苷（UMP）及磷酸鳥(niǎo)苷（GMP）制得混合核苷酸。肌苷酸由腺苷脫氨酶制得。ATP和AMP分別由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙酸激酶制得。三、酶工程在醫(yī)療中的應(yīng)用由于外源性酶在體內(nèi)易產(chǎn)生免疫反應(yīng)，穩(wěn)定性差，難以達(dá)到特定部位，因此固定化酶、人工細(xì)胞、脂質(zhì)體及紅細(xì)胞膜包埋酶工程技術(shù)在臨床治療中的應(yīng)用日趨活躍。將固定化酶應(yīng)用在于體內(nèi)作為治療藥物；將固定化酶組裝成體外生物反應(yīng)器,通過(guò)體外循環(huán)作為臨床治療劑。如用腮酶及脈酸酶治療腎衰竭和痛風(fēng)癥;用固定化膽紅素氧化酶清除血中過(guò)高的膽紅素;將L-天冬酰胺酶固定于中空纖維上進(jìn)行體外血液循環(huán),可用

15、于治療白血病等;將胰蛋自酶、凝乳蛋白酶、溶菌酶、凝血酶及溶葡萄球菌酶等固定于膜或纖維上制成輔料貼于傷口,可用于止血、抗炎、促進(jìn)傷日愈合等。膽固醇醋酶和膽固醇氧化酶用于血膽固醇定量測(cè)定。從植物中克隆苯丙氨酸脫氨酶基因,導(dǎo)人腸道有益菌-一乳酸乳球菌中表達(dá),用以治療引起兒童智力障礙的苯丙酮尿癥,己在動(dòng)物試驗(yàn)中獲得成功打6。生物傳感器已廣泛用于臨床監(jiān)測(cè)及監(jiān)護(hù),如安放于靜脈或動(dòng)脈中的葡萄糖傳感器能持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)血糖含量,并將指令傳給植人人體的胰島素泵,控制胰島素釋放量,從而使糖尿病人獲得解救7。四、展望酶工程作為生物工程的重要組成部分,其作用之重要、研究成果之顯著已為世人所公認(rèn)。充分發(fā)揮酶的催化功能、擴(kuò)

16、大酶的應(yīng)用范圍、提高酶的應(yīng)用效率是酶工程應(yīng)用研究的主要目標(biāo)。21世紀(jì)酶工程的發(fā)展主題是丁；新酶的研究與開(kāi)發(fā)、酶的優(yōu)化生產(chǎn)和酶的高效應(yīng)用。除采用常用技術(shù)外,還要借助基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的最新知識(shí),借助DNA重排和細(xì)胞、噬菌體表面展示技術(shù)進(jìn)行新酶的研究與開(kāi)發(fā),目前最令人矚目的新酶有核酸類酶、抗體酶和端粒酶等。要采用固定化、分子修飾和非水相催化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)酶的高效應(yīng)用,將固定化技術(shù)廣一泛用于生物芯片、生物傳感器、生物反應(yīng)器、臨床診斷、藥物設(shè)計(jì)、親和層析以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究,使酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn):l鄧紅濤.吳健.徐志康.等.酶的固定化及其應(yīng)用的研究進(jìn)展J.膜科學(xué)與技術(shù),2004，24（3）：48-53.2吳悟銅.酶工程技術(shù)的研究及其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)川J.藥學(xué)進(jìn)展.1994