第一章绪论-课件PPT.ppt

酶学和生物催化;第一章 绪论;;生物技术;背景：工业生物技术的出现;生物技术产业化的三个浪潮;什么是工业生物技术？;工业生物技术的核心;工业生物技术 生物催化;2001年，OECD在一些国家和地区进行了生物技术用于改造传统工业的21个试验。试验主要是测试生物技术对传统重污染工业的绿色改造效率： 在改造纸浆和造纸行业方面，生物技术能减少漂白过程中10%—15%的氯排放量，并且将漂白过程中的能量消耗降低40%； 在改造纺织业方面，生物技术可以减少14%—18%的水消耗量，与用水有关和空气散热方面的费用减少50%—60%，漂白过程的能源消耗也将降低9%—14%； 塑料产品生产在改造方面，用生物有机原料替代石化原料，能够减少20%—80%的对石化资源的需求，而且产品是可自然降解的“绿色塑料”； 生物技术用于化学制药行业，例如维生素B2的生产过程中，能够减少80%的CO2排放量，减少67%的污水排放量。将生物技术用于头孢类抗生素的生产，能够减少50%的CO2排放量，节约20%的能源消耗，节水75%。 ;中国高度重视工业生物技术的发展，2005年9月，由国家科技部中国生物技术发展中心组织了“首届国际生物经济高层论坛”在北京召开。 在2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中把“新一代工业生物技术”作为“前沿技术”列入规划。 工业生物催化和生物转化的研究，是中国参与生物技术国际竞争的一个难得的机遇和切入点，也是我国生物技术应用研究的一个战略重点，其最终目标是通过生物学、化学和过程科学的交叉，建立以生物催化和生物转化为基础的新生物加工体系。 ;国际工业生物技术的研究热点和未来趋势 ;1.工业生物催化剂改性和提高??生物催化剂是生物催化和转化技术的核心。生物催化剂快速定向改造新技术已被用于上百个酶的进化，大大提高了生物酶的活性和效率。如枯草杆菌蛋白酶E在有机溶液中(60%DMF)的活性提高了170倍；今后生物催化剂的研发与改进需要追求如下目标：性能更好(包括选择性、热稳定性、溶剂耐受性等)、催化范围更广、催化功能更多、催化速度更快、生产成本更低。 这些目标可具体量化为：酶的温度稳定性提高到120℃—130℃、酶活性比现有的在水或有机溶剂中其活性增加100—10000倍、产率提高10—100倍、酶转化率达到现有化学催化剂的水平；耐久性达到几个月至几年；提高了固定化酶或微生物的活性。 近年来，这方面的研究工作主要集中在极端微生物、未培养微生物、共生微生物、非水相催化、分子定向进化、合理化设计等。;1.1 极端微生物 极端微生物的研究和应用已成为国际热点，高温DNA聚合酶、碱性酶、碱性纤维素酶、环糊精酶及极端采油菌已在产业上产生了重要影响。 极端微生物研究涉及嗜高温菌、嗜低温菌、嗜盐菌、嗜极端pH菌等。 嗜高温菌主要应用于食品工业和洗涤剂工业；嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量；嗜盐菌由于在高盐浓度下稳定而被用于含盐体系催化剂。现已筛选出30多属中的70多种嗜高温菌。 最近的研究集中在与工业生物催化相关的极端酶的认定上，这些酶包括：酯酶/脂肪酶、糖苷酶、醛缩酶、腈水解酶/酰胺酶、膦酸酯酶、消旋酶等。;1.2非水相酶催化????非水相酶催化反应对一些传统化学催化困难的过程具有重要意义。 通过改变溶剂和相条件，可以得到不同空间结构和光学特性的聚合物。尽管非水相体系有诸多优点，但是酶在有机相中由于分子间键能的变化，容易发生结构重排而失活。 为了提高酶活性和使用寿命，可采用化学修饰、表面改性、固定化等多种方法，业已取得显著的成果。 ;1.3催化剂改造的方法学????自然界的酶都是在自然生理条件下进化而来的，当其应用到条件迥然不同的非生理条件下的工业制造过程中，往往稳定性、活性或溶液的兼容性差，因此必须对生物催化剂进行适当改造以适应实际工程的需要。 酶的改进技术主要集中于以下两种方法：(1)基于酶结构和催化机理的理性分子设计；(2)基于随机突变、DNA重排等技术的定向进化，如：易错PCR(Error-prone PCR)和DNA改组(DNA shuffling)技术[7]。;2 功能基因组学与代谢工程????代谢工程是在对细胞(包括微生物、植物、动物乃至人体细胞)内代谢途径网络系统分析的基础上，进行定向的、有目的地改变，以更好地理解和利用细胞代谢进行化学转化、能量传递和超分子组装。代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞[8]。代谢工程的核心与功能基因组密切相关。通过对不同细胞菌体进行遗传改变并观察识别所产生的生理响应，代谢工程工作者取得经验并能找出基因组?蛳生理学(或基因型?蛳表型)之间的关系，从而进一步开展代谢工程研究。根据功能基因组(转录物组、蛋白质组及代谢物组)信息，可以进行代谢网络重建、优化及设计，进而通过代谢工