发酵工程综述

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1、发酵工程综述娄宏跃（12级生物工程专业（1）班）摘要：抗体酶是具有催化活性的免疫球蛋白，又被称为催化抗体。[1]由于它兼具抗体的高度选择性和酶的高效催化性，因而催化抗体制备技术的开发预示着可以人为生产适应各种用途的，特别是自然界不存在的高效催化剂，对生物学、化学和医学等多种学科有重要的理论意义和实用价值。本文主要对抗体酶的生产工艺及其应用进行综述。关键词：抗体酶；发酵；微生物；酶工程前言：自从1986年Schultz和Lerner首次证实由过渡态类似物为半抗原,通过杂交瘤技术产生的抗体具有类似酶的催化活性以来,抗体酶一

2、直是科学界的“宠儿”。[2]短短十几年,抗体酶已显示出在许多领域的潜在应用价值,包括许多困难和能量不利的有机合成反应,前药设计,临床治疗,材料科学等多个方面。抗体酶和天然酶在功能上有许多相似之处,如催化效率高,具有专一性、区域和立体选择性,可进行化学修饰和具有辅助因子等,并且在饱和动力学与竞争性抑制方面也极其相似。一、抗体酶的发现1946年，Pauling用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。他指出，酶通过某种方式与高能、短寿命的

3、过渡态结合而起催化作用。这个过渡态构型中某些键在形成，另一些键在断裂，存在时间极短，半衰期约为10~10s，实际中极难捕获。[3]同时，Pauling又指出酶和抗体的根本不同在于前者选择性的结合一个化学反应的过渡态，而抗体则是结合一个基态分子。既然过渡态分子难以捕获，而过渡态类似物是能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，于是人们就设想，只要寻找到与反应中决定性步骤的相应酶紧密结合的酶竞争性抑制剂，就等于发现了过渡态类似物；还有一种思路，就是这种类似物也能根据化学反应机制推测设计出来。然后，以过渡态类似物为半抗原

4、，利用哺乳动物的免疫系统，诱导与其互补构象的抗体产生，这种抗体即具有催化活性——6这就是1969年Jencks提出的，他发展了Pauling的理论；接着，Kohler和Milstein于1975年发明了具有历史意义的单克隆技术，使抗体酶的生产成为可能。[4]Lerner和P．C．Schultz分别领导各自的研究小组独立地证明了：针对羧酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体，能催化相应的羧酸酯和碳酸酯的水解反应。1986年美国《Science》杂志同时发表了他们的发现，并将这类具有催化能力的免疫球蛋白称为抗体酶或催化抗体。抗体

5、有极高的亲和力，解离常数在10~10mol/L，这与酶相似，但无催化活力。酶的催化机制在于它能结合底物产生过渡态，降低能垒，改变化学反应的速度。抗体酶同时具备了抗体和酶的特征，应用前景十分广阔。[5]二、抗体酶的应用(一)在有机化学领域的应用[5]目前，已成功筛选出可催化6种类型酶促反应和几十种化学反应的抗体酶，可催化许多困难和能量不利的反应．催化类型包括底物异构化反应、酯水解、酰胺水解、酰基转移、Claisen重排反应、光诱导反应、氧化还原、金属螯合、环化反应等，抗体酶还可以作为手性助剂控制光加成反应产物的立体化学，

6、用于手性化合物的拆分，还可用于探索化学反应机制．(二)在医学领域的应用[7]利用抗体酶催化药物在体内的还原，有利于机体对药物的吸收，并降低药品的毒副作用；将抗体酶技术和蛋白质融合技术结合在一起，设计出既有催化功能又有组织特异性的嵌合抗体，用于切割恶性肿瘤；[7]将抗体酶直接作为药物，以治疗酶缺陷症患者。(三)在戒毒领域的应用[8]抗体酶可以拮抗可卡因等麻醉剂的成瘾性，使可卡因失去刺激功能，以帮助瘾君子戒除毒瘾．抗体酶还可以水解清除血液中的毒素，如分解可卡因、有机磷毒剂等．三、抗体酶的产生途径和方法(一)直接引入天然或合

7、成的催化基团[9]6直接引入天然或合成的催化基团有两种方法，分别是化学诱变法和蛋白质工程技术，化学诱变法是将合成或天然具有催化活性的基团通过化学修饰法引人到抗体分子中。蛋白质工程技术则是通过蛋白质工程技术使抗体结合部位的氨基酸残基产生定向改变，既可直接产生酶活性，也可对初步具有酶活性的抗体进行进一步改造，构建高活性抗体。(二)基因工程技术由免疫学可知，对独特的分子抗原，动物可有5～1万个不同的B细胞产生抗体，而通过细胞融合产生的单克隆抗体一般只有上百个。因此，重组抗体分子在细菌E．coli中的表达，可提供抗体库。基因工

8、程抗体库得到的抗体数量比免疫技术得到的抗体要高几个数量级，但该方法中筛选抗体的技术还需进一步完善。四、菌种选育及培养基的制备[10](一)常见菌种所有的微生物在一定条件下都能合成多种多样的酶。但并不是所有的都能够用于酶的生产。一般来说，酶的生产的细胞必须具备的条件是：产量高、容易培养和管理、产酶稳定性好、利于酶的分离纯化、安全可靠