定制酶分子机器/细胞工厂,引领生物制造产业未来

时间:2018-07-26 18:12:00     浏览量:
[文章摘自:微信公众号—生物工程学报]

作者:姜水琴,魏东芝

       传统工业体系依赖化石资源,但化石资源储存有限且不可再生,同时化石资源的工业化应用引起了全球气候变暖、大气污染、海洋污染等严重的环境问题。传统工业体系面临严重的环境危机、资源危机以及能源危机,如何减少或摆脱对化石资源的依赖、建立可持续的社会经济发展模式引起全球关注和思考。工业生物技术清洁、可再生,被称为白色生物技术,其能源和工业原料等不再完全依赖于化石能源,并有助于解决温室气体排放等环境问题。工业生物技术的核心是酶与生物催化,因此,发展工业酶及生物催化与转化技术,创建绿色生物制造工业体系已经成为社会经济可持续发展的重大战略方向。
       酶工程作为生物制造工业体系的核心受到学术界和工业界的密切关注,近年来高通量测序和定向进化技术、计算生物学以及结构生物学的进步推动了酶工程领域的迅速发展。文中以2017年第十一届中国酶工程学术研讨会“杜邦杰能科中国酶工程杰出贡献奖”获得者特邀报告为蓝本,从自主酶库构建、酶分子机器/细胞工厂创制及产业应用等方面概述了当前酶工程与生物催化领域的发展现状及前景。
 
1  自主酶库的构建
现代经济社会的发展更加注重绿色可持续发展,酶作为催化剂因环境友好等特点长期受到化学合成领域的关注。为满足化学合成对酶催化剂的需求,针对中国“用酶大国、产酶小国”的现实,作者团队坚持“自主酶库、自主应用”原则,开展了系统性的酶库构建工作。自然界大量的微生物酶基因难以培养捕获,作者团队采用宏基因组技术和基因组步行等技术,快速、大量捕获不可培养微生物酶基因,采用生物信息学手段分析了大量生物数据库,发掘了特定功能的酶,构建了不同来源、不同性质、可批量生产、数量高达2 000多种的具有自主知识产权的酶库,其中包含氧化还原酶、水解酶、转移酶等,为工业酶制剂的产业化及其应用提供了保障。
 
2  生物催化剂的定制
随着经济社会的发展,品种繁多的化学品、化妆品、医药中间体等需求快速增加,来自自然界的酶通常存在底物谱窄、手性选择性不高、催化效率低、产物不单一、辅酶依赖性强等性能缺陷,难以满足生产需求。新技术、新工具的研究和开发已成为酶工程发展的前沿课题,在此基础上定制高端酶制剂、酶分子机器及细胞工厂,开发新产品,实现生物质资源向高附加值生物基材料、化学品、生物能源等工业产品的转化,已成为酶工程发展的必然趋势。
 
3  酶与生物催化技术应用
酶催化剂在医药、食品、轻工、化工和环保等领域应用广泛,作者团队基于酶分子机器及细胞工厂的定制开发了阿格列汀、西他列汀等手性胺类医药中间体、伊鲁替尼、克唑替尼、阿法替尼、他汀类等手性醇类医药中间体、R-扁桃酸、R-邻氯扁桃酸等光学纯α-羟基酸、甾体、米格列醇、手性非天然氨基酸等绿色生产工艺,实现了酶在医药、精细化学品等领域的产业化应用。
 
4  结论与展望
生物技术被《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》列为新一代产业新支柱和新增长点[60],并提出生物技术惠民工程,酶工程作为生物技术的核心模块近年来得到快速发展。虽然酶分子定制、新酶挖掘工具的开发、多酶组装、细胞工厂定制等方面已经获得一定进展,但依然存在较多问题亟待解决,如更精准的生物催化剂设计工具待开发、细胞工厂代谢途径与机制有待深入解析等。因而在今后的工作中需要不断增强自主创新能力,特别是针对优势资源开发自主的基因编辑技术、酶分子从头设计、理性改造技术及细胞工厂元件装配技术等。同时,加强产学研结合,创新合作机制,充分融合市场敏锐度和科研创新能力,从而推动绿色生物制造工业体系的快速发展。
 
编者按:《生物工程学报》—酶工程专刊出版特邀综述







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