RNA的生物催化功能及其研究进展

长期以来,我们一直认为生命过程中的所有化学反应是在生物催化剂——酶的作用下进行的,而所有的酶都是蛋白质或带有辅基的蛋白质。但近年研究发现,某些RNA分子也具有“酶”的生物催化功能,它们能在一定条件下催化自身或其它RNA分子发生化学反应。Cech(1981,1986)据此提出了RNA生物催化剂的概念,将这些具有酶活性的RNA称之为核酶(ribozyme)。本文简要介绍几种RNA分子的生物催化功能及其研究进展。     

工业蛋白质理性设计与应用

作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术,蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战,创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, TIB)创立10周年之际,文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论,并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁,促进新技术、新策略的开发应用,加速融合人工酶的基础研究与产业应用,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

生物催化立体选择性氧化还原中存在问题及其发展策略

以立体选择性氧化还原酶或其全细胞催化的不对称氧化还原反应已经成为转化光学活性手性醇及其他手性化合物的有效手段。然而,生物催化氧化还原反应体系存在着催化活性与专一性、反应体系与催化稳定性等生物催化剂所固有的局限性问题,而且,生物氧化还原反应必需辅酶及其再生问题也是限制该转化途径产业化应用的一个重要因素。围绕上述生物催化立体选择性氧化还原中存在的关键问题,现代分子生物技术及反应工程的不断突破和发展为改善生物催化立体选择性氧化还原在催化剂本身和反应工程方面的局限性提供了有效的发展策略,为其进一步大规模产业应用提供了发展基础。     

基于肌红蛋白的氧激活蛋白的理性设计

金属酶催化了生命活动及工业催化中的很多重要反应。天然金属酶的研究往往受限于蛋白质本身结构复杂、表达纯化困难等问题。通过理性设计,可以在分子量小、结构简单、易于表达的骨架蛋白中模拟天然金属酶的结构、光谱和功能,构建人工金属酶。人工酶可以为天然酶的机制研究提供新的平台。本文中,笔者探讨以肌红蛋白为骨架蛋白,通过结构特征的模拟、非天然氨基酸的引入等手段,模拟氧激活蛋白,尤其是氧化酶。综述以对理性设计得到的人工氧化酶的反应中间体进行研究的进展,发现金属酶活性中心的酪氨酸作为催化反应的关键残基,对于氧化反应的调控非常重要;而在小分子量骨架蛋白中模拟天然金属酶是一种人工金属酶分子设计的方法,可以用于研究血红素酶外的其他金属酶。     

有机化合物生物催化研究进展

随着近十几年来工业生物技术的发展,有机化合物的生物催化也取得了飞速的进步.近几年的研究集中在:新生物催化剂的筛选和酶的定向改造;非水相生物催化中酶有机溶剂耐受性的增强和非传统介质的应用;生物催化在手性化合物,药物等精细化学品领域的应用;组合生物催化作为组合化学和生物催化相结合而成的一个新技术生长点,并取得一定的进展,为新药的开发提供一种切实可行的方法.     

组合生物催化

自然界最有效的分子是由酶催化的反应所产生,并对这些产物进行自然选择,使其具有优化的生理活性,组合生物催化（Combinatorial Biocatalysis)利用酶反应的多样性,完成有机库（Organic Library)的反复合成,这些反复的反应,可以用分离的酶或全细胞,在天然或非天然的环境中、在溶液或固相中与底物进行反应。组合生物催化是组合方法的在药物发现和发展中产生和优化先导化合物（LeadCompound)的一个有力补充。     

手性医药化学品生物催化合成进展与实践

手性生物催化是利用生物催化剂对手性分子构型的识别能力进行选择性催化的新型物质加工过程,具有催化效率高、选择性强和反应条件温和等优势。近十年来,生物催化技术快速崛起,树立了多个大品种原料药过程替代的成功范例,成为手性医药化学品绿色制造不可或缺的重要工具。笔者分析了生物催化商业和学术发展的新动向,并结合笔者在手性药物生物催化合成的产业化开发实践,指出了今后的发展方向。     

催化性抗体及其研究进展

根据过渡态理论,按特定的化学反应机制确定反应中的可能过渡态结构,选择和该过渡态结构类似的化合物作为半抗原,可诱导机体产生具有催化活性的催化性抗体.文章对诱导催化性抗体中半抗原的选择原则、催化性抗体和非催化性抗体间的联系、催化性抗体和酶促催化反应的比较等方面进行了较为全面的综述,并对催化性抗体在医药科学中的应用前景及限制因素进行了讨论.     

疾病治疗及药物制备用酶的研究进展

生物技术的发展及对疾病机理的深入研究,使酶逐步应用于疾病治疗。与此同时,以酶作为催化剂制备非天然有机化合物具有反应条件温和、催化效率高、特异性高、选择性强、副反应少等优点。因而,酶也在药物制造方面展现了巨大潜力。此外,基因工程、酶化学修饰和固定化技术的应用进一步改善了酶的功能。基于此,文中结合本课题组的相关研究,综述了近年来酶作为药物用于疾病治疗及作为催化剂用于药物制造的研究进展,并对其存在的问题提出了相应的解决办法,最后对酶在医药领域的应用前景进行了展望。     

甲烷单加氧酶的催化性能和活性中心结构

甲烷单加氧酶是甲烷利用细菌代谢甲烷过程中的重要酶系,它能够催化烷烃羟基化和烯烃环氧化反应;还能催化降解氯代烃类,可用于环境中氯代烃类化合物污染的治理,是具有广泛应用前景的生物催化剂．甲烷单加氧酶是含有μ－氧桥双核铁催化活性中心的蛋白,它的研究对分子氧的活化、化学催化剂的设计具有重要意义．文章介绍了甲烷单加氧酶催化性能和机理的最新研究进展．     

内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶不对称合成非天然手性D-氨基酸的研究进展

内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶不对称合成非天然的手性D-氨基酸是目前生物催化领域的研究热点。内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶具有优良的立体选择性,利用其进行酶催化不对称合成光学纯的手性D-氨基酸,被广泛用于医药、食品、化妆品、精细化学品等领域。为了促进生物催化法在合成手性D-氨基酸方向的进一步发展,本文对内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶催化合成D-氨基酸的现状进行了综述。重点介绍了Corynebacterium glutamicum、Ureibacillus thermosphaericus、Symbiobacterium thermophilum来源的内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶在新酶的挖掘、催化性能、晶体结构解析、分子改造、功能与催化机制、合成D-氨基酸新途径等方面的研究进展,并对内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶的未来研究方向及策略进行了展望。本综述将进一步加深人们对内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶的认识,也为具有挑战性的生物合成任务提供信息借鉴。     

生物转化中的逆胶囊酶催化

作为生物催化剂的酶以其催化力强、范围广、专一性高,适合于温和条件、水溶液和低底物浓度中催化等特点而得到广泛应用。酶固定化技术的发展使酶催化的工业应用范围更为广阔,但酶促反应需要以水为反应介质,若反应物难溶于水或反应本身要求不能有大量水存在(如酯化反应),则传统的酶反应就难于实现。这些因素限制了酶在工业上的应用。     

芳香族氨基酸羟化酶家族结构与催化功能

芳香族氨基酸羟化酶(AAAH）家族是一类单加氢酶,包括苯丙氨酸羟化酶(PAH)、酪氨酸羟化酶(TH)和色氨酸羟化酶(TPH). 在辅因子四氢生物蝶呤、铁原子及氧存在下,分别催化苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的羟化反应. 多种疾病如苯丙酮尿症、帕金森氏病以及神经相关疾病的发病机制均与这类酶有关. 本文综述近年来对芳香族氨基酸羟化酶家族蛋白结构功能、底物特异性、催化机制等方面的研究进展,为该类酶的定向进化及功能应用提供新思路.     

氢化酶重组表达研究进展

氢化酶催化最简单的氧化还原反应,但蛋白结构却非常复杂,对其蛋白结构和催化功能的研究牵动着生物制氢、光电产氢催化剂及氢能源电池等相关绿色能源产业的发展。氢化酶通常可逆地催化质子还原产氢的反应,对氧化还原电位非常敏感,催化活性中心易于被氧化失活,活性蛋白的分离提纯十分不易,使得对其催化机制的认识推进缓慢。为了获取更多的氢化酶活性蛋白,许多研究团队先后对氢化酶开展了大量的同源或异源重组表达研究,就这类研究工作进行了扼要的总结和分析。     

酪氨酸酶催化氧化对丝素蛋白结构与性能的影响

采用酪氨酸酶对丝素蛋白催化氧化,考察了酶促氧化反应对丝素蛋白结构及丝素膜性能的影响。研究结果表明,酪氨酸酶可催化氧化丝素蛋白中酪氨酸残基生成多巴和多巴醌结构衍生物,并且两者含量随催化反应时间延长呈波动性变化;酶促反应后丝素蛋白中游离氨基含量下降,丝素风干膜断裂强度增加,表明酶促氧化中丝素大分子间发生自交联。XRD结果表明酪氨酸酶催化氧化对丝素蛋白二级结构有一定影响;SEM显示酶促改性可能影响丝素蛋白冷冻干燥膜多孔形态结构。     

生物催化中的酶固定化研究进展

生物催化是指利用酶或者生物有机体(细胞、细胞器和组织等)作为催化剂进行化学转化的反应过程。酶催化在食品、化学和制药等不同领域的应用中发挥着重要作用,促进了绿色制造以及精细化学品,食品添加剂和药物的可持续生产。在工业化酶促反应中,酶的固定化有助于实现酶的回收或可重复使用并提高其稳定性。随着现代生物技术的不断发展以及学科间的相互渗透,相较于基于普适性思维设计的传统固定化酶策略,根据酶的特性以及应用需求研发的新型固定化方法,以及微/纳米结构等具有优秀比表面积材料的出现,都提供了高负载的固定化材料,并通过多功能的固定化方法有效提高了酶的固定化效率。作为现代合成化学中低碳经济的生产工具,酶提供的化学反应种类几乎可以涵盖所有传统有机合成中的反应策略,因其固定化形态更利于工业化生产,酶固定化技术备受关注。因此,本文对生物催化领域中酶的固定化策略和相关应用进展进行了总结。     

脱氧核酶的研究进展

脱氧核酶是的年来利用体外分子进化技术合成的一种具有催化功能的单链DNA片段,它能催化RNA特定部位的切割反应,从mRNA水平对基因灭活,从而调控蛋白的表达,可能成为对抗RNA病毒感染、肿瘤等疾病的新型工具。     

极端酶的研究进展

极端酶具有超常的生物学稳定性,能够在极端温度、pH、压力和离子强度下表现出生物学活性,因此极端酶为生物催化和生物转化提供了良机.新的极端物种的发现、基因组序列的确定及基因工程技术的应用,加快了发现和制备新酶的进程.蛋白质工程和定向进化技术进一步改善酶的活性和特异性,促进了极端酶的工业应用.对极端酶的研究加深了人们对酶稳定性机制的理解,丰富了分子进化理论.     

低共熔溶剂对酶的影响及应用研究*

低共熔溶剂是由一定化学计量比的氢键受体和氢键供体组合而成的新型绿色溶剂,具有成本低、易制备、环境友好等特点,可以作为普通有机溶剂和离子液体的替代溶剂。酶作为生物催化剂时反应条件温和,对反应底物专一性高,并且具有极高的催化效率和反应速度。酶促反应通常发生在水溶液体系,但近年来发现在低共熔溶剂中酶促反应也能有效进行。综述酶与低共熔溶剂共同作用的机理以及低共熔溶剂在酶促反应中的应用,展望未来的研究方向,为酶促反应体系的进一步开发奠定理论基础。     

茶树菇非特异性过氧化酶的研究进展

惰性碳氢键(C—H)的选择性单加氧反应是有机合成的主要挑战之一,目前主要采用化学法和酶法催化,化学催化法往往反应条件苛刻,而酶催化法相对温和。来自茶树菇(Agrocybe aegerita)的非特异性过氧化酶(AaeUPO)是一类以H₂O₂为共底物的单加氧酶,可催化脂肪族和芳香族化合物的羟基化、环氧化及脱烷基等反应,因其具有电子传递过程简单、催化活性高、底物谱广等优点,是催化单加氧反应的高效生物催化剂。近年来,AaeUPO在分子改造、底物谱扩展和级联催化系统的应用等领域取得了一定进展,显示出较好的工业应用潜力。本文综述了AaeUPO的晶体结构及其在蛋白质工程方面的研究进展,重点探讨了AaeUPO催化的反应类型、底物范围以及级联催化系统构建中所面临的问题和挑战。