酶工程技术在制药工业中的应用

酶在制药工业中的作用主要是催化前体物质转化为药物，另外固定化酶膜或者酶管也广泛应用于制药过程的参数检测与测量，特别是生物制药过程。下面以几个典型的应用为例进行叙述。

    一、青霉素酰化酶在新型抗生素生产中的应用

青霉素酰化酶能以青霉素或头孢霉素为原料，可以分别在青霉素的6位或者头孢霉素的7位催化酰氨键的形成与断裂。典型的应用顺序为首先催化青霉素或头孢霉素酰氨键的断裂，获得半合成抗生素的直接底物6-氨基青霉烷酸(6-APA)或7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)；然后在其他酰基供体存在的条件下催化形成新的酰氨键，从而获得具有全新侧链的新型抗生素。

天然发酵生成的青霉素有两种，一为青霉素G，另一为青霉素V。通过青霉素酰化酶催化下进行酰基置换反应，用新的酰基供体置换苯乙酰基，则可以获得许多新型的半合成青霉素。比如用α氨基苯乙酰置换原来的苯乙酰基，可以获得氨苄西林。羟氨苄西林、羧苄西林和磺氨苄西林等也都是采用酶催化半合成的方法通过青霉素的酰基置换反应获得的。

天然发酵生成的头孢霉素是头孢霉素C，头孢霉素C在青霉素酰化酶催化下，首先水解生成7-ACA，再与侧链羧酸衍生物反应形成各种新型头孢霉素。例如：头孢利定、头孢噻吩、头孢氨苄等。

虽然青霉素酰化酶既可以催化酰氨键的形成，也可以催化其水解，具有催化正逆两个反应的能力。但催化水解反应和催化合成反应时所要求的条件存在较大差异，特别是最优催化pH相差较大。常用的催化水解反应的pH为7.0～8.0，而催化合成反应的pH应降低到5.0～7.0。因此应采用两个连续但独立的反应器顺序进行水解和合成反应。

二、酶应用于生物大分子

    由于中草药多来源于植物，即药源植物。但只有这些植物中的一些特定小分子成分，才是其中的药效成分。中草药制剂提取就是将这些有效成分从植物整体或者器官中提取出来，并结合辅料，制备成适合保存、运输和服用的药物。这个过程的第1步就是中草药药材的粉碎提取，由于植物中纤维素的存在，使得药材的粉碎难度加大。一个可行的方案是采用纤维素酶降解纤维素，形成可溶性单糖，从而提高其溶解度降低黏度。但由于纤维素酶价格较高，目前该应用还限于实验室研究阶段。

 另外利用纤维素酶降解农作物秸秆中的纤维素形成可被微生物利用的可溶性单糖，可以使得生物质能系统中的微生物利用原来难以利用的纤维素作为碳源进行发酵，从而提高产能效率。

三、固定化酶在生物传感方面的应用

    生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是一种物质分子水平的快速、微量的分析方法。在未来21世纪知识经济发展过程中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。其原理为：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经两次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。   

生物传感器具有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器)，两者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。其中固定化酶膜是采用最多的生物膜。

生物传感器采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析烦琐复杂的缺点。另外，生物传感器还具有其他特点：①专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。②分析速度快，可以在1min内得到结果。③准确度高，一般相对误差可以达到1％。④操作系统比较简单，容易实现自动分析。⑤成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。⑥有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。研制的生物传感器已广泛应用于体育、工业发酵等行业。截止到1998年年底，共推广了200多台套，创经济效益达600多万元。通过生物传感器的推广应用，提高了我国运动员的训练水平，给谷氨酸发酵行业创造了上亿元的经济效益。

目前重组蛋白药物、抗体、疫苗等生物药物都来源于发酵过程，而发酵过程的监控是实现发酵过程最优化的前提。目前应用最成功的生物传感器都是利用固定化酶催化原理实现信号转换，从而实现发酵过程参数的测量。

应用最早的葡萄糖传感器就是采用固定化葡萄糖氧化酶的生物膜作为活性材料，在有氧气存在的情况下，当样品中的葡萄糖组分接触到固定在膜上的葡萄糖氧化酶时，就被转化为过氧化氢和葡萄糖酸。产生的过氧化氢可以通过电化学的方法通过氧电极进行准确的测量。由于葡萄糖的浓度和经酶催化产生的过氧化氢浓度之间存在线性关系，所以可以通过氧电极作为换能器将过氧化氢浓度转化为电信号，从而通过电信号的强弱来表示样品中葡萄糖的浓度。具体操作是首先利用标准葡萄糖溶液建立校正曲线，由于该设备线性程度非常好，只需要采用两个标准葡萄糖溶液即可。

利用相同的原理，采用其他氧化酶替代葡萄糖氧化酶，可以用于乳酸、谷氨酸、乙醇、次黄嘌呤、肌苷、尿素和胆碱等测量。

但由于固定化酶膜热稳定性差等原因，生物传感器难以制作成溶解氧电极的形式对发酵过程中参数进行实时检测。比如高温灭菌会严重破坏生物传感器生物活性物质如酶的活性；发酵时PH、温度等条件与生物传感器上酶测定条件不符造成的测量偏差；发酵液的底物浓度往往超出传感器线性范围；膜长期与底物接触活性下降，使电极寿命缩短等。因此，在生化反应体系中实现在线检测生物、化学量的分析系统尚未见报道。但可以通过接口将发酵五从发酵罐中自动取出，并进行过滤、稀释等预处理后，送入自动生物传感测量装置实现发酵过程的自动在线检测。