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1、第一讲 生物催化概论,一、背景回顾,20世纪的一百年是人类历史上生产力飞速发展的一百年;钢铁、化工、电子技术：衣食住行一种新技术的发明及其广泛的应用，会带动生产力的发展，带动一个行业的进步;随着人类认识世界维度和广度的增加，科技会发展更快;,实例：尼龙,1802年：杜邦公司成立;1927年：进行基础研究计划。为许多产品奠定了基础；开始二十世纪的“材料革命”;尼龙首先由杜邦公司的W.H.Carothers研制成功，1931年申请专利;1939年，杜邦公司开始生产尼龙66;40年代：杜邦的尼龙、氯丁橡胶和其它许多产品在二战中大显身手;现在尼龙系列的产品广泛的应用到我们生活当中，关于尼龙改性（强度、

2、韧性、舒适性和降解性等）的研究也不断进展;,人类面临的危机！,生存危机！社会危机！,核心还是资源与环境危机,我国已成为世界第一资源加工消费大国和第二能源耗用大国;我国能源进口依赖性很大。2002年我国进口原油6941万吨，2010年达到2.4亿吨原油对外依存度近55;资源问题和能源问题已经严重影响我国经济安全和国家安全;（沙特18.7%,安哥拉16.5%,伊朗8.9%,阿曼6.6%,俄罗斯6.4%,苏丹5.3%,伊拉克4.7%,哈萨克斯坦4.2%）,我国可持续发展面临严重挑战,可持续发展的两个方面：以可再生生物资源取代化石资源，以可再生生物能源取代不可再生化石能源;以清洁高效的生物加工方式取代

3、低效污染的传统物质加工方式，以精细产品取代大量粗加工产品;,生物技术的发展机遇？,生物技术生物产业 生物经济生物安全 生物技术将引领新的产业革命！,二、化工和生物技术的发展历程,20世纪化学工业发展,经过数百年的高速发展，化学工业仍然是国民经济的基础支柱行业之一。以美国为例，美国是当今世界上最发达的国家，也是最大的化学品生产国，其化学工业乃是国民经济三大支柱产业之一。如下图同时，化学工业也是美国经济民用部门中贸易顺差最大的行业（1995年为204亿美元）。,中国石油和化学工业占GDP比重,化学工业面临的挑战,石油资源枯竭 世界性的能源危机:我国每年1/2依赖进口;污染问题严重 以破坏环境为代价

4、发展经济不是长远之计;寻找新的经济生长点,生物技术的发展,自20世纪 70年代初,以 DNA重组技术、淋巴细胞杂交瘤技术和细胞的大规模培养技术的发明和应用为标志的现代生物技术发展起来;包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等四大体系;生物技术诱人天地：逐步揭示生命的奥秘 促进人类健康和长寿 利用生物技术进行生产,生物技术,1980s-,1990s-,2000s-,生物医药 转基因植物 生物催化,Current Opinion in Microbiology 2,241-245(1999),生物技术发展历程,生物技术的第一次浪潮,现代生物技术于20世纪70年代异军突起,在医学基础和医学应用研究

5、中取得了重大突破;由此率先在西方工业发达国家形成了生物医药工程产业;生物医药技术的重点是应用基因工程技术,从生物细胞内获得所需基因,将其进行剪切、拼接、重组,并转入受体细胞,从而生产具有生理活性的蛋白质、多肽、酶、疫苗、细胞生长因子及单克隆抗体等,产品主要用作疾病治疗剂、疾病诊断剂和预防用药物;,生物技术的第一次浪潮,近二十年来,医药生物技术产业取得了令人瞩目的成就。目前美国已有的2000多家从事医药生物产品生物技术公司，其中300多家上市。市场总额3308亿美元（2004）；医药生物产品的销售额已达660亿美元,约占整个医药产品销售额的10%。在销售额超过20亿美元的4种药品中,有2种为生物

6、技术产品 其中美国生产的促红细胞生长素(EPO)名列第一,达30亿美元。被授予美国总统勋章,生物技术的第二次浪潮,1983年转基因植物问世,1986年被批准进入田间试验,根据美国农业部动植物检疫局(APHIS)的数据,截止 1997年 1月 31日,美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例;转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜椒，抗腐能力强、耐贮性高的番茄;我国实施的“水稻基因组计划”采用离子束介导法将外源基因转入水稻成功;应用细胞工程技术建立了一系列快速高效的动植物育种新方法;据预计,21世纪农业生产品种的90%将通过生物技术改良,生物技术对农业生产技术总贡献率会高于70

7、%;,生物技术第三次浪潮,生物能源生物材料 生物基化学品生物环保,我国生物技术产业的发展现状,医药生物技术,人类基因组及相关技术,农业生物技术,动植物基因组及相关技术,工业生物技术,微生物基因及相关技术,推动,目前人类所了解的微生物仅占总数1，故以微生物应用为主的工业生物技术的发展潜力非常大，发展空间较大。,推动,推动,生物技术发展的技术推动力,三、生物催化技术的特点和前景,生物学和化学本质相通性,生物体基本组成蛋白质、核酸、糖等都是由分子构成的;它们之间的作用力是化学键;生物体内的反应也是化学反应;生物体内的产品，如酶、细胞器、调节激素等也都可以看作是结构复杂的化学产品;生命，是分子运动的结

8、果；从分子水平看，生物运动的本质也是物理化学变化;这为生物法生产化学产品提供了可能,生物催化和化学催化的比较,生物催化的优势,高效性 催化特殊反应和可改造的催化活性；选择性 位点专一性、立体专一性催化获得手性化合物；温和性 反应条件温和：常温、常压和近中性；环境友好：原子经济性反应，副产物少，三废少；,生物催化经典实例：合成氢化可的松,1949年发现肾上腺皮质激素可的松(Cortisone)对治疗风湿性关节炎有显著疗效化学法合成：576g脱氧胆酸 938mg醋酸可的松其中把C12的氧转移到C11，就需要10步,30多步化学反应,生物催化合成氢化可的松,1952年 美国Upjohn药厂发现由黑根

9、菌能使孕酮1步转化为11羟基孕酮，从而开发了通过弗氏链霉菌将Reichsteins化合物S一步发酵转化成氢化可的松。经过数次改进后，转化率可达8090,黑根菌,生物催化技术碳水化合物经济的支柱,化石经济,碳水化合物经济,化石资源,碳水化合物资源,不可再生,可再生,化石经济,碳水化合物经济,竞争,时间,根据预测，当原油价格上升到一定时间，用葡萄糖生产乙醇，脱水生成乙烯就能与传统的石油化工路线竞争。,？$/桶？,生物催化技术已成为重要的发展战略,美国政府：新的生物催化剂是21世纪可持续发展的化学加工业的必需工具。到2020年，通过生物催化技术，降低化学加工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗降低各3

10、0，减少污染物的排放和污染扩散30。美国能源部斥资1亿美元进行微生物体系的基础研究(2002年末）。,世界经合组织（OECD）：生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术,近年来，美国科研经费的50%、英国和德国科研经费的30%投入到生物技术与医学领域！,油田化学品：酶法制备丙烯酰胺（10万吨/年）精细化学品：酸味剂柠檬酸（20万吨/年）医药中间体：半合成抗生素6-APA(9千吨/年)L-丙氨酸（1万吨/年）,维生素C（5万吨/年）,生物催化技术的大规模应用初见端倪,实例1：酶法合成丙烯酰胺,丙烯酰胺,丙烯酰胺生产路线的变更,丙烯酰胺生产路线的比较,只有生物催化法才能生产高纯度的丙烯酰胺，从而

11、才可以合成超高分子量的聚丙烯酰胺，在三次采油中发挥重大作用。,沈寅初（1938.7.7）。生物化工专家。浙江省 嵊县人。1962年毕业于复旦大学。上海市农药研究所高级工程师。长期从事生物化工和生物农药研究。研究成功我国第一个用量最少、对环境最安全、对人畜无毒害的井冈霉素新农药，并得到广泛推广，建厂30余家，为我国生物农药产业的建立奠定了基础；主持开发生物农药产业骨干品种杀螨杀虫抗生素，经济效益显著；研究成功微生物催化法生产丙烯酰胺，建立了我国第一套利用生物技术生产大宗化工原料的工业化装置，推广了生物催化在化工行业中的应用。多次获得国家及省部级奖励。发表学术论文60余篇。1997年当选为中国工程

12、院院士。,中国工程院院士：沈寅初,实例2：反应分离耦合技术制备L丙氨酸,用作临床氨基酸输液成分，起着D-Ala无法替代的作用。有特殊的甜味，用作食品添加剂，日本、韩国将它用于酒、清凉饮料、酱菜和腌制品中等。可以用作维生素B6（VB6）的原料，据统计，在我国作为VB6原料的消耗的丙氨酸每年在60008000吨左右。,L-丙氨酸酶法制备原理,3.；,传统的固定化生产工艺流程图,反应分离耦合工艺流程图,L-丙氨酸新技术与传统法比较,每立方米反应液直接得到近2吨L-Ala白色结晶，纯度达99%，不含L-Asp；酶法制备的L-丙氨酸成本低于化学合成的DL-丙氨酸的成本；,反应分离耦合技术获国家科技进步一

13、等奖,四、生物催化的发展现状,4.1 生物催化的发展概况,现在确认的酶有3000多种，随基因组学和蛋白组学的发展会更多;研究的领域：精细化工（包括医药）、石油化工、环境工程、日用化工等学科;生物技术公司 2000家;投资市场 970亿，其中用于R,生物催化的两种类型,催化过程和菌体生长耦联型,催化过程和菌体生长非耦联型,两种类型的区别和联系,催化过程和菌体生长非耦联型,丙烯酰胺,催化过程和菌体生长非耦联型,葡萄糖异构酶,葡萄糖在转变为葡萄糖-6-磷酸酯后，经异构酶的作用可转变为果糖-6-磷酸酯;利用-淀粉酶、葡萄糖糖化酶、葡萄糖异构酶直接从淀粉糖液生产果葡糖浆;1998年其产量已经达到2.3亿

14、吨;,-淀粉酶,葡萄糖糖化酶,葡萄糖异构酶,果葡糖浆,淀粉糖液,半生物法合成头孢菌素,手性医药中间体D-氨基酸 L-氨基酸,催化过程和菌体生长非耦联型,催化过程和菌体生长耦联型,严重的白色污染问题已引起全世界的关注，许多国家正在开发可生物降解的塑料来取代由石油产物合成的塑料，用微生物合成的各种聚羟基烷酸酯（polyhydroxy alkanoate，PHA）就是其中之一。它具有目前使用的塑料的各种物理特征，同时具有生物降解性，是名副其实的生物塑料。,生物可降解塑料,葡萄糖,基因工程菌,1，3-丙二醇,催化过程和菌体生长耦联型,4.2.1 生物催化在医药领域的应用,-内酰胺类抗生素中间体：6-A

15、PA和7-ADCA（青霉素G酰化酶）该酶已实现产业化，已占国内70以上的份额，并出口欧美；-内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶）国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。-阻断剂药物中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水解酶）其他药物合成前体维生素B6的合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸，成本（2万元/吨）低于化学合成的DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。,4.2 生物催化在国内的应用进展,4.2.2 生物催化在农药领域的应用,S-丙烯菊酯（特异性脂肪酶）S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245倍，不仅用量大大减少

16、，而且残留极少，产品的质量好于国外同类产品，已形成2亿元的年产值，取得了很好的经济效益；三唑类手性农药及其中间体 芳基丙酸类除草剂的制备 昆虫信息激素的制备,4.2.3 生物催化在食品添加剂领域的应用,甜味剂原料：L天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸转移酶）L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权，已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平；L肉碱的制备 L茶氨酸的制备,4.2.4.生物催化在有机酸制备中的应用,酶法制备L-苹果酸（水合酶）L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂，其生产成

17、本低于化学合成的DL-苹果酸；酶法制备L-酒石酸（水解酶）L（+）-酒石酸2000年年产近3000吨，是国际上唯一的应用酶工程技术生产该产品的国家；,4.2.5.生物催化在饲料添加剂领域的应用,D-泛酸的合成（D-泛酸内酯水解酶）以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的D-泛解酸内酯，成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产，已进入产业化阶段。L-抗坏血酸有机酸酯的合成,4.2.6.生物催化在化工领域的应用,聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺（腈水解酶）以人工筛选的腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转化为丙烯酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了10万吨的生产规模；,4.2.7.生物催化在轻

18、化工领域的应用,淀粉酶：水解淀粉和糖源类化合物的总称 目前国内最大的酶制剂产业，用于葡萄糖制备；葡萄糖异构酶：果葡糖浆生产 国内已实现工业化生产，形成了较大的规模产业;蛋白酶：酸性、中性和碱性蛋白酶；用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业;脂肪酶：水解酯键的酶总称 目前最大用途为洗涤助剂、但更多来源于进口；,五、生物催化技术存在的问题,!,局部筛选菌种与酶，筛选方式具有随机性。,基于广泛而全面的催化基因，酶与菌种的资源库。,传统研究模式存在问题分析（1）,广泛问题,？,生物催化剂多样性及其实现方法,基础理论问题,一些人工转化体系还没有合适的菌种和酶。,构建快速高效的生物催化剂的改造方法,？,难点与周

19、期太长,生物催化剂改造的方法学,基础理论问题,存在问题分析（2）,新来源基因与酶,!,可提高酶活数倍数万倍,提高酶活530，十分困难,微生物与酶不适应工业环境，产品浓度低，分离成本高。,代谢调控，建立高效率的高浓度生物催化反应体系。,!,？,应用的成本问题,生物催化剂适应性原理,生物系统催化的理论和方法,基础理论问题,存在问题分析（3）,大规模生物制造的主要障碍,生物催化目前存在的问题,对于酶的结构知识、酶催化机理缺乏了解;酶的制造比较贵，研究经费投入高;在酶的筛分、选择及扩增缺少相关的工具箱;在合理的价格下生产工业规模的生物催化剂通常都需要复杂的专业技术;实际用于工业生产的酶太少，只有十几种

20、;,生物催化发展的目标,生物法制备化学品成为主流制备工艺;开发出安全、环保、节能新产品；研制出活性更高、价格更低廉的生物催化剂；提高催化剂的稳定性、活性和溶剂耐受性；提高酶以及固定化细胞的机械强度；对于转换时间比较长的酶，提高其转化的速度，使之可以和现在的化学催化剂相比;,生物催化的发展热点,针对上述问题，近年来发展起来的多种新技术，都可以用来生产新的工业酶。这些技术的广泛应用，将带领商用工业酶从现有的少数实际应用时期进入到一个广泛应用的新时代;生物催化剂的来源：未培养微生物和极端微生物；生物催化剂的改造：修饰、模拟、进化和突变；生物催化剂的应用：耦合催化、系统集成、非水相,1.生物催化剂的多

21、样性平台2.生物催化剂的快速改造平台3.系统生物催化的技术平台,生物催化技术的三个技术平台,平台1：生物催化剂多样性平台,主要目标：拓展生物催化剂的新来源主要研究内容：1）微生物及其基因的多样性;2）微生物催化功能基因组学;3）微生物催化功能蛋白组学;4）微生物的催化功能信息数据库;,平台2：生物催化剂快速改造平台,主要目标：发展高效生物催化剂的快速改造方法主要研究内容：1）酶的构效关系、分子模拟和分子设计;2）定向进化和定点突变;3）酶的人工模拟：抗体酶；,平台3：系统生物催化技术平台,主要目标：提高生物催化反应的效率 主要研究内容：1）代谢工程及组学研究 2）合成生物学研究 3）构建生物催化的微环境 4）耦合催化体系研究,Thank You,联系方式：周华,电话：13002508147，58139916邮箱：,