新生物催化剂的筛选与开发

生物催化剂是具有催化作用的游离或固定化细胞和游离或固定化酶的统称.目前,筛选新生物催化剂的方法有两种:一是从环境样品中筛选全新的生物催化剂;二是探索现有生物催化剂的非天然新活力.本文详细综述了筛选新生物催化剂的方法及策略,并着重介绍了从微生物源开发新生物催化剂的方法.     

生物催化剂发现与改造的研究进展

生物催化是指将酶或生物有机体用于有用的化学转化的过程,在人们对传统化学催化的环境影响抱有忧虑的情况下,生物催化提供了一种有吸引力的选择。在过去的几十年里,对生物催化剂的研究每出现一次大的进步,生物催化的发展就会出现一次高潮。因此,生物催化剂的发现与改造已成为当今研究的热点。宏基因组文库技术的出现克服了许多微生物不可培养的障碍,人们能够从自然资源中获得丰富的潜在的生物催化剂。而基于理性设计的分子改造技术的发展,可以使得人们对潜在的生物催化剂进行快速而有效的改造以满足工业化生产的需求。随着生物催化剂发现与改造的手段不断进步,更多的优良生物催化剂得到了广泛的应用,生物催化在工业生产中也得到了更深入的应用。结合作者的研究工作,总结了生物催化剂发现与改良的一些研究进展,以为获得更多优良的、能够实现工业应用的生物催化剂奠定理论基础。     

定向进化技术的最新进展

筛选是制约酶定向进化改造的瓶颈。为解决这一难题,近年来一系列基于组合活性中心饱和突变(Combinatorial active-site saturation test,CAST)及迭代饱和突变(Iterative saturation mutagenesis,ISM)的半理性设计新方法被开发出来,包括单密码子饱和突变(Single code saturation mutagenesis,SCSM)、双密码子饱和突变(Double code saturation mutagenesis,DCSM)和三密码子饱和突变(Triple code saturation mutagenesis,TCSM)。通过构建"小而精"的高质量突变体文库,对特定靶点进行组合突变,并成功应用于多种生物催化剂的立体/区域选择性及催化活力等多参数的改造。文中综述了近年来定向进化技术的最新进展及其在生物催化剂定向改造中的应用。     

蛋白质新功能定向进化研究策略

利用定向进化策略改造蛋白质功能已经在农业、工业和医药等领域得到了广泛的应用.蛋白质工程的最新进展是利用定向进化策略对自然界蛋白质引入新功能,但由于其决定因素比较复杂,是研究者面临的一个重大挑战.详细介绍了国外近年发展的蛋白质新功能定向进化研究策略:对传统突变体库构建策略进行改进以及非同源重组改造技术的开发,是早期引入蛋白质新功能的常用手段,利用计算/理性设计与定向进化相结合引入蛋白质新功能是近年定向进化研究的一个重大突破,而噬菌体展示技术是蛋白质新功能筛选的主要策略.蛋白质新功能的分子进化模型已逐渐成为蛋白质工程改造的新思路.     

生物信息学在工业生物催化研究中的应用

随着石油等不可再生资源的日益减少以及环境污染问题的日益严重,应用工业生物催化技术改造或取代传统化工工艺已经成为新世纪化学工业可持续发展的研究热点。工业生物催化技术的研究对象是生物催化剂及其催化过程。近来,利用生物信息学技术进行工业生物催化研究已经越来越受到人们的重视。随着工业生物催化的发展,生物信息学将直接指导并加快新型高效生物催化剂的发现及功能改造进程。     

酶的定向进化研究及其在工业生物催化中的应用

综合概括了各种蛋白质改造与微生物代谢途径改造的非理性定向进化技术的原理、特点,介绍了这些技术在高性能工业生物催化剂改造中的应用。     

生物催化剂立体选择性的基因工程改造

野生型生物催化剂对于其天然底物通常具有较好的反应活性和选择性,但生物催化剂在有机合成中应用时多数情况下是非天然底物,这就要求对野生型生物催化剂进行改造,以提高其对非天然底物的反应活性、稳定性和选择性(包括区域选择性和立体选择性)。以下根据酶催化剂的类型总结了近几年来通过基因工程改变生物催化剂的立体选择性的最新进展,盼望起到抛砖引玉的作用,以此促进我国在这一领域的快速发展。     

生物催化技术研究现状和发展趋势

正生物催化技术是当今国际科技发展的热点,将继信息技术后引领新一轮的全球科技革命。文章介绍了近年来国内外生物催化技术的最新研究进展和发展趋势,包括生物催化剂的发现与改造、生物催化机理、生物合成反应的设计与调控、生物催化系统的设计和构建,以及生物催化技术的工业应用实例等。     

宏基因组学结合合成生物学法挖掘新型生物催化剂的研究进展

生物催化剂是具有催化活性的细胞和酶的统称,因其高效和环境友好的特性被广泛应用于工业、农业、医药和能源等领域。传统的生物催化剂挖掘技术依赖于生物分离及体外培养,在一定程度上阻碍了生物催化剂的发展。宏基因组学挖掘新型生物催化剂通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,再基于功能活性和序列分析筛选新型生物催化剂,避免了微生物的分离培养。合成生物学是利用工程学原理,通过元件的设计,组合和系统的构建对生物途径、有机体或生物系统进行重新设计。综述了宏基因组学方法挖掘新型生物催化剂的最新研究进展,并对利用合成生物学方法改进宏基因组筛选新型生物催化剂的效率进行了讨论。     

产业动向

我国现代生物工业产业群已经形成"十一五"期间,我国加大对生物化工技术领域的科研投入,在生物催化剂定向改造、规模化的生物催化技术系统、生物材料和生物能源等领域取得重要成果,现代生物工业产业群已经形成。