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2003年5月 林章凛等：工业生物催化技术 ·13
化学催化剂，对人类的工业化学过程进行根本的变
革，是可持续发展的一个重要趋势。
欧美日已不同程度的制定出在今后数十年内
用”绿色”的生物过程取代化学过程的战略计划。其
中，一份美国的21世纪发展规划中提出，到2020
年，通过生物催化技术，化学工业的原料消耗、水资
源消耗、能量消耗各降低30％，减少污染物的排放
和污染扩散30％⋯。人们已在讨论，生物技术是否
将在医药(生物医药，80年代)和农业(植物转基因
改造，90年代)之后，为工业化学过程带来以蛋白质
酶的工程应用为核心的第三次”革命”。无论是时机
还是技术基础，我们和发达国家在该领域的研究基
本处于同一起跑点，积极发展该领域的研究，对在国
际上抢占学科制高点和对我国的经济及社会发展都
有极为深远的意义。有愈来愈多的迹象表明，工业
生物催化技术是个处在突破边缘的科技领域，我们
只要采取有所为有所不为的策略，选择几个我们确
实有需求有优势、影响面广、且带动力量强的重点突
破口，就能在该领域实现跨越发展。
要做的工作，包含如下三个方面：(1)科学与技
术层面的有效的跨学科的组织；(2)与产业以利润为
导向的结合；(3)对政府在战略层面的大力游说和推
销，争取政府的前期研究投入和政策倾斜。
1工业生物催化的可行性
工业生物催化在上世纪90年代的兴起，与以下
的两个关键技术因素有密切的关系：(1)蛋白质定向
进化技术的出现；(2)基因组学和蛋白质组学的发
展。
工业生物催化的核心是蛋白质酶(生物催化剂)
的应用。由于生物催化剂的温和的条件，高效性和
高选择性，它在化学工业上的应用已经具有越来越
大的吸引力。生物催化剂易于催化得到相对较纯的
产品，因此可减少资源的浪费和废物排放。生物催
化剂可阱完成传统化学所不能胜任的位点专一性、
化学专一性和立体专一性催化，有着传统的化学催
化剂不可比拟的优势。生物催化剂的应用，同时有
助于以生物可再生原料来取代矿石原料(如石油)，
或直接从阳光，大气，和土壤来合成化学品。以催化
作用为基础的化学品占化工产品的60％，其技术渗
入量占目前化工生产技术的90％。以生物催化剂
逐步取代传统的化学催化剂，将对化学工业带来深
刻的变革。
人们对蛋白质酶的工程应用，已有数十年的期
待。但成功的例子并不多。原因在于长期未解决的
一个瓶颈问题：自然界的酶，都是在特定的生物体的
条件下进化而来的。当这些酶被用到条件迥然不同
的工业过程中时，往往稳定性、活性、或溶液的兼容性
很差。这使得酶的工业应用的梦想很难实现。但是，
酶并非注定的脆弱。只是在一般温和的生物环境下，
酶无需进化到有更强的适应能力而已。近年来，在严
酷环境下(如深海或高温)分离出的各类菌体及其蛋
白质酶，充分说明酶可以变得很坚强，在严酷条件下
依旧保持稳定性与活性。90年代中期出现的蛋白质
定向进化技术(diectedevoludon)，提供了一个有效的
对自然界的蛋白质酶按人类的意愿进行“再进化”的
技术手段(enab】jng№㈦o口)，使其适应工业条件。
蛋白质酶的工程应用得以迅速地崛起。
定向进化技术主要包括以下几步(见图1)：
基因
图1定向进化示意图
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·16 生物加工过程 第1卷第l期
日趋增长，D一皿℃蕴藏的巨大的商业价值也逐步
显露出来。D一}Ⅱ】G可用化学法或酶法合成。化学
法由于工艺复杂，环境污染等因素导致生产成本较
高，市场竞争力差。自从70年代起，用微生物细胞
生物转化D．}Ⅱ℃获得成功。n}Ⅱ】G的酶法生产需
要两个酶：海因酶(唧几*)和N一氨甲酰．m氨基酸酰
氨水解酶(Dc一)，目前该工艺的关键问题是N．氨
甲酰．D．氨基酸酰氨水解酶(Dcase)活性低且不稳定，
与海因酶(}ⅡyIh∞)不匹配。我们可在已有的菌种和
工艺的基础上，用蛋白质定向进化技术来改进Dca*
的活性与稳定性，以获得双酶匹配的高效产D—
mB菌。
(3)以生物法来生产对国民经济有战略意义的
生物能源，尤其是生物制氢和生物柴油。其中一个
有重大意义的项目是以我国糖蜜工业废液为原料，
以酶的定向进化技术，多菌偶联和分子水平调控的
新型工程过程为手段，以发酵法生产氢气并解决糖
蜜工业废液的污染问题。生物制氢另一深具前景的
途径是绿藻的光水解法，目前该法的一个关键问题
是绿藻氢酶对氧气的敏感。采用蛋白质定向进化技
术对生产氢气的绿藻氢酶进行进化，使其具有抗氧
抑制的功能，将为实现以绿藻为体系的大规模、经济
型生物制氢，提供技术基础。
(4)环境保护中一个重要问题是如何降解“难降
解有机污染物(POP)”。自然界几乎所有的“非人
造”有机物，都有相应的微生物体(蛋白质酶)能降
解。POP出现的根本原因在于，大自然界还没有足
够的时间进化出能降解这些人造有机物的微生物
体。蛋白质定向进化技术能加速这个进化过程，很
适合用于开发降解“难降解有机污染物(PoP)”的超
级菌。我们可以从开发针对三氯乙烯(1℃E)和聚氯
苯类物(PCB)的超级菌开始。
3．3植物作为反应器的开发
以植物作为生物反应器的研究，将对我国的农
业产业结构的升级和农民收入的提高，有重大的战
略意义。我国在该领域的研究比较落后，应当急追
赶上。我们应当注重如下的几个方面的工作：(1)植
物基因组的研究；(2)选择几个有商业前景的植物代
谢途径进行研究和改造；(3)开发以植物生产大宗工
业酶及化学品的工艺，如氨基酸、维生素C、饲料酶、
和生物材料舳。
参考文献
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