酶工程在医药中的应用

王艳宝

（江苏晶立信医药科技有限公司，江苏南京 210000）

酶工程是应用生物技术的主要研究内容之一，其在工农业、医药卫生及环保等领域均有应用。当下，环境污染程度加重、食品安全问题屡次出现，人们主观上对绿色生物工艺的渴求度显著提高。酶工程作为生物催化的核心，历经数十年的发展历程，其研究内容日渐深入化，涉及到全细胞催化剂、核酸酶等诸多领域。若能在医药生产中合理应用酶工程，则能使医药工业健康、持续发展获得更强大的技术支撑，创造出更大的效益。

1 酶工程的介绍

酶工程也被叫作蛋白质工程学，是指在某种条件下应用酶的催化功能，并配合使用相应的反应器与反应条件生成相应的催化化学反应。当下，酶工程在工业、农业及医药工业领域中均有一定应用，发挥出很大的现实作用。在科学技术日新月异的背景下，重组DNA 技术有很大发展，其对批量生产具有一定医疗价值的酶有促进作用，酶工程也逐渐被用于临床医疗领域中[1]。

因为酶自身有较强的催化特性，这在很大程度上决定了其高应用效率，以往有实验研究发现，酶的催化作用是非催化物的108～1020 倍，是非酶催化的107～1013 倍，这表明酶的催化作用在效率方面占据很大优势。此外，酶还具备反应条件温和、高度转移性与可调控等属性。

2 酶工程技术的主要类型

2.1 酶与细胞的固定化

主要是采用物理或者化学方法把酶或者细胞固定在膜状、颗粒样、管样载体上，这些载体可以是水溶性或者非水溶性的。当下，我国自主研发过的固定化酶大概有五十种，其主要被分为三种类型[2]：一是固定化单酶或者含有特定酶的细胞；二是固定化双酶；三是由固定化各种激酶组建而成的ATP 再生系统。该项技术最大的特征是能显著提高酶的耐热性、耐酸碱性。吸附、共价整合、包埋等是常见的固定化法，近些年又陆续开发了以光照、辐射为载体的物理技术与定点固定化技术法。在制药工业中，包埋法的使用率相对较高，吸附法次之。

2.2 酶的化学修饰

实质上就是在化学方法的协助下，将一些化学物质或基因整合到酶分子上，或者对酶分子的局部进行删减或置换处理，借此方式修整酶的理化性质，最后实现整改酶自身催化性质的目标。氨基、咪哇基等是修饰酶的常见功能基团。酶分子中或者不同分子间进行交互联接时，利用一些功能试剂分子两侧的功能基团能够实现，交联后形成的酶热稳定性与抗蛋白酶的性能均得到提升；结合酶和高分子化合物，不仅能提高酶的稳定性，还能改善其生物活性。乙酸配、氮芥类等均是常用的修饰剂。

2.3 酶标药物

最近几年中，国内外很多学者依照药物在生物机体中可能的作用对象去设计研发药物，通过以上途径制备出的药物被叫做酶标药物。当下，这种设计方法已经成为药物设计领域中的主流形式，在开发新药品方面表现出良好效能。血管紧张素肽转换酶（ACE）抑制剂便是该法应用的典型实例，ACE 抑制剂是临床上经常使用的一种降压类药物。过往有研究发现，艾滋病（AIDS）病毒颗粒表层吸附的蛋白酶是导致AIDS 感染和传播的“罪魁祸首”，故而AIDS 病毒蛋白酶成为了医药工业领域中的一大热点，很多学者期盼通过研发相应的抑制剂，去探寻防治AIDS 的新方法。

2.4 核酸酶

这是一种由核糖核酸（RNA）构成的酶，其核酸序列表现出高度的特异性。若能获知某种核酸酶的核苷酸序列，则便能顺利的设计出具备自我切割功能的核酸构成，参照这些基因组的序列特征，能研制出防治一些人、禽畜与植物病毒病的核酸酶，比如流感、肝炎等。

3 酶工程在医药中的应用

3.1 制备生物代谢产物

采用固定化细胞能够批量化生产多种初级或者中间产物，比如糖、有机酸以及氨基酸等，D-果糖、甘油、柠檬酸、苹果酸等均是典型产品。如下列举两个例子进行阐述：

1）利用包埋法或者吸附法固定化（IMM30）发酵制造出甘油。也可以使用海藻酸钙与卡拉胶包埋法制造出甘油，生产量依次是23.6g/L 与27.4g/L，也可以使用聚丙烯酰肼（PAAH）包埋法，甘油产量最高能达到32g/L。而如果烧结玻璃吸附法生产出的甘油，其浓度能够达到26.2～29.5 烧结玻璃吸附，持续转动400h，大部分细胞依然能和载体维持结合状态[3]。

2）采用海藻酸钙包埋法生产制造柠檬酸，持续运转12d 后，检测发现反应液内柠檬酸浓度能维持在14g/L 左右，和批式法相比较，连续柱反应器能取得更好效果，主要由于伴随反应产物内柠檬酸浓度的提高，对菌体利用葡萄糖的效率形成一定抑制作用。

3.2 生产抗生素

现代酶工程有技术先进、厂房设备成本低、工艺构成简单、能耗少、产品回收率高、效益产出量大及污染轻微等优势特征，逐渐成为医药化工领域中的“主力军”。过往应用化学合成、微生物发酵等传统工艺技术生产制备出的药品，都可以利用酶工程制造出来，甚至能够开发出传统技术不能制造出的昂贵药物，比如人胰岛素、7-ACA、6-APA 以及7-ADAC 等[4]。既往有很多人员采用酶法制备7-ACA、7-ADAC 等中间体，而后利用半合成工艺制造出临床医疗中广泛应用的多种内酰胺抗生素，并且部分抗生素在生物转化阶段，因需要部分辅因子参与反应过程，导致单纯使用酶法转化不能取得预期效果，只能利用微生物转化过程取落实子厚的化学修饰工作。

可以采用青霉素酰化酶生产抗生素，选用天然苄青霉素做底物，产物以6-APA、7-ADAC 等为主；也可以采用头孢菌素酰化酶、无色杆菌生产D-苯甘氨酸甲酯+7-ADAC，形成的产物均是头孢氨苄。

3.3 制药工业

金血检中，药物的化学结构复杂度有很大提升，环保事业在推进阶段对绿色合成工艺技术也提出更多的新要求。在这样的背景下，制药产业也在不断探寻成本更低、更安全稳定、更绿色环保的生物催化工艺。在生物合成阶段，合理使用生物化学工艺能显著提升一些化学合成效率，比如手性胺合成、区域羟基化以及部分氧化还原反应等。

甾体类药物为继抗生素类药物以后的第二大类药物。维生素转化阶段能够完全或者局部解除甾体类药物产量低、类型繁杂、医药市场需求量缺口较大等现实问题，但微生物合成阶段暴露出副产物与目标产物结构相似度高、副产物分离难度大、产品难溶于水及转换效率偏低等不足，对甾体制药行业持续、健康发展形成一定制约作用。在科学分析甾醇微生物代谢过程机制与代谢路径调整控制的基础上，逼着构建了以分枝杆菌甾醇代谢为基础的靶向性基因编辑平台，通过合理敲除或者敲进靶基因，创新研发出了和目标产物相配套的代谢工程类菌种，该类菌种的特点有选择性高、降解率偏低等[5]。以此为基础，从多个方面认识分枝杆菌细胞膜在提获和转化甾醇过程中的重要作用，研发了科学修饰细胞膜重要组分的技术方法，这能同步提升微生物水相吸收与甾醇转化率。正因如此，逼着成功创建了一个紧扣甾体药物合成的“细胞工厂”，其制造出雄甾烯酮、C22 羟基孕酮等多种甾体中间体。并且还设计了新分枝杆菌内甾醇分解代谢内的限速流程，并由M.neoaurum 内挖出参与以上环节的两种胆固醇，分别是ChoM1、ChoM2，后者和其他胆固醇氧化酶基因的相似度仅有45%。为证实ChoM1、Cho M2 组合在以上步骤运行阶段发挥的作用，还研发了如下方法：强化新霉属菌株内胆固醇氧化酶的生物活性去应对这种限速作用，借此方式去提高甾醇转化效率。

也可以采用生物催化工艺制备西他列汀，本品药物是当下临床治疗2 型糖尿病（T2DM）的常用药，在1mol/L、40℃的反应条件下，选用50%的DMSO 作为助溶剂，能使200g/L 西他列汀前体酮转化率达到100%，产物ee＞99.95%[6]。和传统铑催化工艺做比较，生物催化不仅能提高底物的利用效率，解除对稀有重金属（Rh）的需求，还能较明显的提高总收率，最后产率提升了50%左右。

3.4 临床体外检测试剂

近些年，国内大型综合医院临床陆续使用了生物传感器，多被用于监测监护环节，生物传感器的存在具有较高的权威性，其作为酶工程技术在临床体外检测领域中的一项重大应用，是由固定化酶整合形成的，比如安放在动脉或者静脉内的葡萄糖传感器，其功能主要是有效、连续的监测机体内血糖含量，并把有关信息快捷的反馈给植在人体内部的胰岛素泵，借此方式精准的调控胰岛素泵内的胰岛素释放量，进而提升病患的治疗效果，改善预后。

总之,酶工程的重要作用已经得到世界各国的公认，应进一步发挥其自身的催化功能、拓展应用范畴及提升应用效率等，以上均是酶工程应用研究的主要内容。相关人员在实践中应持续探索提升固定化、分子修饰等技术应用效果的方法，将其应用范畴逐渐拓展至生物芯片、蛋白质结构与功能研发等领域中，使酶工程在医药领域中将自身价值发挥到最大化。