酶的分子设计、改造与工程应用

酶工程的研究已经发展到分子水平 ,在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子结构与功能 ,大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率 ,生产有价值的非天然酶。对酶工程学若干“热点”和前沿课题的研究、应用进行了概述 ,分析了国际上酶工程研究及应用技术、手段、方法 ,包括体外分子进化、核酶和抗体酶的设计、酶分子的定向固定化技术、酶蛋白分子的化学修饰、融合酶、人工合成及模拟酶等技术 ,并展望了酶工程的技术进步和应用的新进展。     

融合酶的设计和应用研究进展

酶的分子改造和重新设计是解决酶催化工业应用瓶颈的重要途径。基于融合蛋白设计的融合酶技术是分子酶工程的一个研究热点,已逐渐应用于多功能酶和酶靠近效应的构建与控制研究中,显示出重要的理论和应用研究价值。文中对近年来融合酶的分子设计策略和应用研究的进展进行了综述。首先介绍了融合酶的概念和特点,并对最近研究中出现的融合酶构建策略进行了归纳总结,重点阐述了不同种类连接肽对融合酶的影响及其可能机理。同时,对目前融合酶的应用研究进行了归纳和讨论。最后,结合本实验室的研究,指出了融合酶领域的关键问题并对其发展方向进行了探讨和展望。     

分子酶工程学研究进展

酶工程的研究已经发展到分子水平,通过基因操作,已实现了许多酶的克隆和表达。定点突变成为研究酶结构与功能的常规手段,并被广泛用于改善酶的性能。体外分子进化方法则大幅提高了酶分子的进化效率,并有可能发展新功能酶。融合蛋白技术的发展使构建新型多功能融合酶成为可能。这里对分子酶工程学的研究与发展情况进行了综述。      

2012酶工程专刊序言

酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术,是现代生物技术与未来生物经济的支柱。近年来,随着在合成生物学研究上的突破,作为合成生物学重要核心内容的酶工程研究受到重视与关注,为促进国内酶工程研究的发展,本期"酶工程专刊"介绍了我国酶工程专家与青年学者在新酶的发掘、酶的作用机制及酶的生产与应用方面所取得的最新进展。     

酶工程专刊序言

酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术,是现代生物技术的支柱之一。近年来我国在酶工程研究方面取得了较大进步,为促进国内酶工程研究的发展,本期"酶工程专刊"集中展现了我国酶工程专家学者在酶促生物转化、医药用酶、饲料用酶、环境修复用酶和生物能源用酶等领域所取得的最新进展。     

定制酶分子机器/细胞工厂，引领生物制造产业未来

工业酶制剂研发与应用已经渗透到各大工业领域,但中国作为用酶大国、产酶小国面临重大挑战,鉴于以化学催化为核心的基础物质加工业面临资源、能源和环境三大危机,酶工程与生物催化已被列入许多国家的科技与产业发展战略,应用高效、清洁的生物催化技术是实现化学工业可持续发展以及发酵工业产业升级的重要途径之一。文中以2017年第十一届中国酶工程学术研讨会杜邦-杰能科中国酶工程杰出贡献奖获得者特邀报告为基础整理编写而成,从自主酶库构建、酶分子机器/细胞工厂创制及产业化应用等角度概述当前酶工程与生物催化发展现状及前景。     

21世纪酶工程研究的新动向

概述了21世纪国际上酶工程研究的新进展和新趋势,着重介绍国际酶工程研究领域的“若干热点”和前沿课题,包括基因工程和蛋白质工程的应用,人工合成酶的模拟酶,核酸酶和抗体酶,分子酶学,功能酶学,酶的定向固定化技术,杂交酶,分子发动机,酶化学技术,非水酶学,糖生物学和糖基转移酶,酶标药物,端粒酶,极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种,酶在环境保护方面的应用等。     

酶工程实验室

酶工程实验室设在吉林大学。实验室主任为程玉华教授,学术委员会主任为张龙翔教授。主要学术带头人程玉华教授,张今副教授,曹淑桂副教授,罗贵民副教授,张学忠副教授。本实验室具备从事酶工程及有关基础理论研究的良好条件。主要科研方向是酶的分子改造和修饰,即采用生物的、化学的或物理的手段对酶分子进行修饰。改变其理化性质和生物活性,使其具有比天然酶更优越的性能。同时开展酶的固定化与酶的稳定化新技术的研究和相关基础理论研究,使酶工程向纵深发展,扩展其在生产中的应用,促进新兴产业的形成,     

2018酶工程专刊序言

酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术,是现代生物技术的支柱之一。为促进国内酶工程研究的发展,本期"酶工程专刊"集中展现了我国酶工程专家学者在酶工程领域所取得的最新进展。     

酶工程近年来的进展——兼谈在氨基酸生产上的应用

<正> 酶学是一门古老的学科,近年来分成两部分。理论部分称为分子酶学,而应用方面则逐渐形成了“酶工程”。但严格说来,酶工程也不是什么新鲜事物,例如作为酶工程一部分的酿造工业自古以来各个国家都有。只不过“酶工程”这个名词在近年来才正式使用而已。在正式讨论酶工程以前,首先对“生物工程”的概念是什么应有所了解。     

酶的分子定向进化及其应用

酶的分子定向进化是20世纪90年代初兴起的一种蛋白质工程的新策略,是一种在生物体外模拟自然进化过程的、具有一定目的性的快速改造蛋A质的方法.该方法引起了生物催化技术领域的又一次革命.目前分子定向进化技术已被广泛应用于工业、农业及制药业等的相关领域.本文详细综述了酶的分子定向进化的概念、过程、基本策略及其核心技术,并着重介绍了酶的分子定向进化技术在提高酶的活力、稳定性、底物特异性和对映体选择性等几方面的应用及取得的相关成果.     

Cloning and characterization of the glycogen branching enzyme gene existing in tandem with the glycogen debranching enzyme from Pectobacterium chrysanthemi PY35

The glycogen branching enzyme gene (glgB) from Pectobacterium chrysanthemi PY35 was cloned, sequenced, and expressed in Escherichia coli. The glgB gene consisted of an open reading frame of 2196bp encoding a protein of 731 amino acids (calculated molecular weight of 83,859Da). The glgB gene is upstream of glgX and the ORF starts the ATG initiation codon and ends with the TGA stop codon at 2bp upstream of glgX. The enzyme was 43-69% sequence identical with other glycogen branching enzymes. The enzyme is the most similar to GlgB of E. coli and contained the four regions conserved among the alpha-amylase family. The glycogen branching enzyme (GlgB) was purified and the molecular weight of the enzyme was estimated to be 84kDa by SDS-PAGE. The glycogen branching enzyme was optimally active at pH 7 and 30 degrees C.     

重组巴曲酶在毕赤酵母中的高效表达

以毕赤酵母为表达系统,建立生产重组巴曲酶的技术工艺路线。通过递归式PCR的方法,人工合成了巴曲酶基因,将其插入pPIC9表达质粒中,转化至毕赤酵母GS115(his4),筛选出的表达株经甲醇诱导,表达了重组巴曲酶,并得以纯化。从每升发酵液中可纯化得到10mg重组巴曲酶,其比活为238NIHunits/mg,分子量为30.55kD。重组巴曲酶在体外可使纤维蛋白凝固,在体内缩短小鼠出血时间。为开发重组的蛇毒类凝血酶止血剂打下了基础。     

Engineering isoflavone metabolism with an artificial bifunctional enzyme

Plant secondary metabolism has been a focus of research in recent years due to its significant roles in plant defense and in human medicine and nutrition. A protein engineering strategy was designed to more effectively manipulate plant secondary metabolite (isoflavonoid) biosynthesis. A bifunctional isoflavone synthase/chalcone isomerase (IFS/CHI) enzyme was constructed by in-frame gene fusion, and expressed in yeast and tobacco. The fusion protein was targeted to the endoplasmic reticulum (ER) membrane and the individual enzymatic functions of its component fragments were retained when assayed in yeast. Petals and young leaves of IFS/CHI transgenic tobacco plants produced higher levels of the isoflavone genistein and genistein glycosides as a ratio of total flavonoids produced than did plants transformed with IFS alone. Thus, through a combined molecular modeling, in vitro protein engineering and in planta metabolic engineering approach, it was possible to increase the potential for accumulation of isoflavonoid compounds in non-legume plants. Construction of bifunctional enzymes will simplify the transformation of plants with multiple pathway genes, and such enzymes may find broad uses for enzyme (e.g., cytochrome P450 family) and biochemical pathway engineering.Electronic Supplementary Material Supplementary material is available for this article at and is accessible for authorized users.     

生物技术在食品领域的应用与发展趋势

生物技术是一门新兴的高新技术。简要综述了基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程等生物技术在食品领域的应用及其存在问题和发展趋势。     

A mechanistic view of enzyme evolution

New enzyme functions often evolve through the recruitment and optimization of latent promiscuous activities. How do mutations alter the molecular architecture of enzymes to enhance their activities? Can we infer general mechanisms that are common to most enzymes, or does each enzyme require a unique optimization process? The ability to predict the location and type of mutations necessary to enhance an enzyme's activity is critical to protein engineering and rational design. In this review, via the detailed examination of recent studies that have shed new light on the molecular changes underlying the optimization of enzyme function, we provide a mechanistic perspective of enzyme evolution. We first present a global survey of the prevalence of activity‐enhancing mutations and their distribution within protein structures. We then delve into the molecular solutions that mediate functional optimization, specifically highlighting several common mechanisms that have been observed across multiple examples. As distinct protein sequences encounter different evolutionary bottlenecks, different mechanisms are likely to emerge along evolutionary trajectories toward improved function. Identifying the specific mechanism(s) that need to be improved upon, and tailoring our engineering efforts to each sequence, may considerably improve our chances to succeed in generating highly efficient catalysts in the future.     

粘质沙雷氏菌H3010发酵型D-乳酸脱氢酶基因的克隆表达、纯化及酶学性质研究

通过PCR技术从粘质沙雷氏菌H3010基因组DNA中扩增出该D-乳酸脱氢酶基因,连接至pET-28a（＋）表达载体,转入大肠杆菌BL21（DE3）中进行了重组表达,优化了酶纯化的条件,并对其酶学性质进行初步研究。结果表明,获得的该酶编码基因全长993bp,编码330个氨基酸,大小为37kDa。经优化表达及纯化条件后重组酶纯度可达90％。酶学性质研究发现,该重组酶最适反应温度为60℃,最适酶促反应pH为7．5（O．2mol／L磷酸盐缓冲液）,37℃下测得对底物丙酮酸的动力学参数Km=3．39mmol／L,Vmax=6．87mmol／（mg·min）,对辅酶NADH的动力学参数Km=1．43mmol／L,Vmax=1．61mmo]／（mg·min）。为酶法生产D-乳酸及利用代谢工程构建产D-乳酸的基因工程菌打下基础。     

微生物环氧化物水解酶的研究进展

环氧化物水解酶(EH)是一类能催化外消旋环氧化物水解生成有光学活性的环氧化物和二醇的酶,应用前景广阔。自然界筛选到的微生物往往存在产酶活力低、对映体选择性不高等问题。近年来,基因工程技术的发展及其在微生物环氧化物水解酶中的应用,改善了酶的催化特性,为酶的工业化应用提供了条件。该文简单介绍了微生物环氧化物水解酶的催化反应机制和快速检测方法,详细介绍了环氧化物水解酶基因工程方面的研究进展。