酶工程技術在制藥工業中的應用

酶在制藥工業中的作用主要是催化前體物質轉化為藥物，另外固定化酶膜或者酶管也廣泛應用于制藥過程的參數檢測與測量，特別是生物制藥過程。下面以幾個典型的應用為例進行敘述。

    一、青霉素酰化酶在新型抗生素生產中的應用

青霉素酰化酶能以青霉素或頭孢霉素為原料，可以分別在青霉素的6位或者頭孢霉素的7位催化酰氨鍵的形成與斷裂。典型的應用順序為首先催化青霉素或頭孢霉素酰氨鍵的斷裂，獲得半合成抗生素的直接底物6-氨基青霉烷酸(6-APA)或7-氨基頭孢霉烷酸(7-ACA)；然后在其他酰基供體存在的條件下催化形成新的酰氨鍵，從而獲得具有全新側鏈的新型抗生素。

天然發酵生成的青霉素有兩種，一為青霉素G，另一為青霉素V。通過青霉素酰化酶催化下進行酰基置換反應，用新的酰基供體置換苯乙酰基，則可以獲得許多新型的半合成青霉素。比如用α氨基苯乙酰置換原來的苯乙酰基，可以獲得氨芐西林。羥氨芐西林、羧芐西林和磺氨芐西林等也都是采用酶催化半合成的方法通過青霉素的酰基置換反應獲得的。

天然發酵生成的頭孢霉素是頭孢霉素C，頭孢霉素C在青霉素酰化酶催化下，首先水解生成7-ACA，再與側鏈羧酸衍生物反應形成各種新型頭孢霉素。例如：頭孢利定、頭孢噻吩、頭孢氨芐等。

雖然青霉素酰化酶既可以催化酰氨鍵的形成，也可以催化其水解，具有催化正逆兩個反應的能力。但催化水解反應和催化合成反應時所要求的條件存在較大差異，特別是最優催化pH相差較大。常用的催化水解反應的pH為7.0～8.0，而催化合成反應的pH應降低到5.0～7.0。因此應采用兩個連續但獨立的反應器順序進行水解和合成反應。

二、酶應用于生物大分子

    由于中草藥多來源于植物，即藥源植物。但只有這些植物中的一些特定小分子成分，才是其中的藥效成分。中草藥制劑提取就是將這些有效成分從植物整體或者器官中提取出來，并結合輔料，制備成適合保存、運輸和服用的藥物。這個過程的第1步就是中草藥藥材的粉碎提取，由于植物中纖維素的存在，使得藥材的粉碎難度加大。一個可行的方案是采用纖維素酶降解纖維素，形成可溶性單糖，從而提高其溶解度降低黏度。但由于纖維素酶價格較高，目前該應用還限于實驗室研究階段。

 另外利用纖維素酶降解農作物秸稈中的纖維素形成可被微生物利用的可溶性單糖，可以使得生物質能系統中的微生物利用原來難以利用的纖維素作為碳源進行發酵，從而提高產能效率。

三、固定化酶在生物傳感方面的應用

    生物傳感器是用生物活性材料(酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等)與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是一種物質分子水平的快速、微量的分析方法。在未來21世紀知識經濟發展過程中，生物傳感器技術必將是介于信息和生物技術之間的新增長點，在國民經濟中的臨床診斷、工業控制、食品和藥物分析(包括生物藥物研究開發)、環境保護以及生物技術、生物芯片等研究中有著廣泛的應用前景。其原理為：待測物質經擴散作用進入生物活性材料，經分子識別，發生生物學反應，產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經兩次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。   

生物傳感器具有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器(傳感器)，兩者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。其中固定化酶膜是采用最多的生物膜。

生物傳感器采用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析煩瑣復雜的缺點。另外，生物傳感器還具有其他特點：①專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。②分析速度快，可以在1min內得到結果。③準確度高，一般相對誤差可以達到1％。④操作系統比較簡單，容易實現自動分析。⑤成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。⑥有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生。在生產控制中能得到許多復雜的物理化學傳感器綜合作用才能獲得的信息。同時它們還指明了增加產物得率的方向。研制的生物傳感器已廣泛應用于體育、工業發酵等行業。截止到1998年年底，共推廣了200多臺套，創經濟效益達600多萬元。通過生物傳感器的推廣應用，提高了我國運動員的訓練水平，給谷氨酸發酵行業創造了上億元的經濟效益。

目前重組蛋白藥物、抗體、疫苗等生物藥物都來源于發酵過程，而發酵過程的監控是實現發酵過程最優化的前提。目前應用最成功的生物傳感器都是利用固定化酶催化原理實現信號轉換，從而實現發酵過程參數的測量。

應用最早的葡萄糖傳感器就是采用固定化葡萄糖氧化酶的生物膜作為活性材料，在有氧氣存在的情況下，當樣品中的葡萄糖組分接觸到固定在膜上的葡萄糖氧化酶時，就被轉化為過氧化氫和葡萄糖酸。產生的過氧化氫可以通過電化學的方法通過氧電極進行準確的測量。由于葡萄糖的濃度和經酶催化產生的過氧化氫濃度之間存在線性關系，所以可以通過氧電極作為換能器將過氧化氫濃度轉化為電信號，從而通過電信號的強弱來表示樣品中葡萄糖的濃度。具體操作是首先利用標準葡萄糖溶液建立校正曲線，由于該設備線性程度非常好，只需要采用兩個標準葡萄糖溶液即可。

利用相同的原理，采用其他氧化酶替代葡萄糖氧化酶，可以用于乳酸、谷氨酸、乙醇、次黃嘌呤、肌苷、尿素和膽堿等測量。

但由于固定化酶膜熱穩定性差等原因，生物傳感器難以制作成溶解氧電極的形式對發酵過程中參數進行實時檢測。比如高溫滅菌會嚴重破壞生物傳感器生物活性物質如酶的活性；發酵時PH、溫度等條件與生物傳感器上酶測定條件不符造成的測量偏差；發酵液的底物濃度往往超出傳感器線性范圍；膜長期與底物接觸活性下降，使電極壽命縮短等。因此，在生化反應體系中實現在線檢測生物、化學量的分析系統尚未見報道。但可以通過接口將發酵五從發酵罐中自動取出，并進行過濾、稀釋等預處理后，送入自動生物傳感測量裝置實現發酵過程的自動在線檢測。