生物信息学在工业生物催化研究中的应用

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1、!"卷#期生物工程学报&’()!"*’)#!""$年%月!"#$%&%’()*$+,(-.#(/%0"$(,(12+,-!""$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!生物信息学在工业生物催化研究中的应用于慧敏"罗晖史悦孙旭东沈忠耀（清华大学化工系生物化工研究所，北京0"""4$）摘要随着石油等不可再生资源的日益减少以及环境污染问题的日益严重，应用工业生物催化技术改造或取代传统化工工艺已经成为新世纪化学工业可持续发展的研究热点。工业生物催化

2、技术的研究对象是生物催化剂及其催化过程。近来，利用生物信息学技术进行工业生物催化研究已经越来越受到人们的重视。随着工业生物催化的发展，生物信息学将直接指导并加快新型高效生物催化剂的发现及功能改造进程。关键词工业生物催化，生物催化剂，生物信息学中图分类号D400E$文献标识码F文章编号0""".#"1（0!""$）"#."#!%."5［#］经过数百年的发展，化学工业已经成为我国国民经济!0世纪化学工业可持续发展的必要工具。的基础支柱行业之一。然而，随着石油等不可再生资源的日目前已经开发的商品酶有!""种左右，而工业上应用的益减

3、少以及环境污染问题的日益严重，能源问题、可持续发酶仅有%"多种，这说明酶工程仍然是一门年轻的学科，有着展问题越来越引起人们的关注，应用生物催化技术改造或取广阔的发展前景。因此，许多国家都在致力于酶工程的研代传统化工工艺已经成为新世纪化学工业可持续发展的研究，以提高生物催化用酶的活性、稳定性和单位产率，并逐步［0］实现酶的工业化应用。以日本为例：日本是最早开始发展工究热点。业生物催化技术的国家之一。目前，日本有多家大学、研究!工业生物催化的兴起机构和企业均在致力于工业生物催化工艺和催化剂的研究和开发，并在氨基酸、甜味剂、油、维

4、他命、化学品以及药物中工业生物催化是生物技术应用中一个新兴和关键的领间体等众多产品的生物催化法生产方面处于领先水平。域。与传统的化学合成相比，生物催化合成具有高效、高选表0列出了日本近年来采用微生物酶作为生物催化剂进行择性、环境友好、可以合成一些用化学方法无法生产的手性［!］工业生产的部分产品。化合物及高分子等独特的优点。因此，它在医药化工、精细近年来，我国在采用工业生物催化法生产重要生物产化工乃至传统化工等领域均有广阔的发展空间，并已经有越品、生物材料和生物能源等方面的研究也取得了长足的进来越多的化工产品的生产工艺由化学法

5、成功地向生物催化展。就其规模而言，我国的氨基酸（如谷氨酸）、有机酸（如柠法转变，如乙醛酸、丙烯酰胺、壳聚糖、单甘酯、透明质酸、黄檬酸、乳酸）等产品在世界上占有举足轻重的位置。但是，我原胶以及多种氨基酸和抗生素等大宗化学品、表面活性剂、国的技术水平尚与发达国家具有较大的差距。例如，氨基酸［0］功能高分子和医药产品的生产。仅以日本G,:C<:6:@3的整体水平国外比我国高#"IJ%"I；我国酶制剂中的支柱H<39:C,(?公司0///年开发的外消旋泛内酯的酶法生产工艺产品如糖化酶，产酶活力仍停留在#!"""KLM9N左右，而国外

6、为例，与以前的化学方法相比，生物催化法不仅具有令人非已经达到%""""KLM9N；由于成本偏高及质量不稳定，我国酶常满意的经济效益，而且具有很好的环保效应（少消耗$/I制剂产品难以进入国际市场；在抗生素工业中，作为我国医［!］的水和1!I的氧，少产生#"I的二氧化碳）。药工业战略品种之一的头孢菌素类抗生素的酶法工艺尚不随着公众环保意识、可持续发展意识、健康意识的加强，能实现产业化。为此，在!""0年全面启动并实施的“十五”人们在商品取向上会越来越倾向使用生物制品和新型环保国家科技攻关项目中“，生物化工原料和新材料”“、新型酶

7、制产品，因此社会对新技术、新产品，尤其是手性药物、新兴健剂与重大酶制剂产品”“、氨基酸新产品、新工艺”“，寡糖新产康食品等的渴求，就要求生物催化技术能够更快更好地发品的开发与应用”“、新型食品及饲料添加剂的开发与应用”、展。继医药和农业之后，工业生物催化已经被广泛看作是“重大抗生素生产新技术、新工艺”和“农用抗生素新技术、新“生物技术的第三次浪潮”，生物催化剂（工业酶）则被视为工艺”等课题被列入“生物工程关键技术与重大产品”开发领收稿日期：!""#."/.!/，修回日期：!""#.0!.!/。基金项目：国家自然科学基金面上项

8、目（*’)!"!"1"0$）；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目。"通讯作者。23(：41.0".1!544%14；6,7：41.0".1!55"#"$；8.9,:(：-;<9=>?:@A<;,)3B;)C@LRD生物工程学报RI卷域。可以说，工业生物催化在传统化学反应过程中的普及和