科普-中华学生百科全书-第337章
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所谓酶工程，可以分为两部分。一部分是如何生产酶，一部分是如何应
用酶。用微生物来生产酶，是酶工程的半壁江山。
酶的生产要解决一系列的技术问题，包括：
挑选和培育生产酶的微生物（要求繁殖快、安全、酶容易分离、符合应
用条件）；
确定适合的培养条件和培养方式；
大幅度地提高酶的产量；
将生产出来的酶进行分离提纯，提高酶的纯度；等等。
经过各国科学家的不懈努力，这些技术问题一一迎刃而解，酶的生产水
平不断提高，为酶的应用提供了坚实的基础。
这里值得一提的是通过基因重组来对产酶的菌种进行改造，获得生产性
能优秀的菌种。最明显的例子是α…淀粉酶的生产。
最初，从前是从猪的胰脏里提取α…粉酶的，这种酶在将淀粉转化为葡萄
糖的过程中是一个主角。随着酶工程的进展，人们开始用一种芽孢杆菌来生
产α…淀粉酶。从 1 立方米的芽孢杆菌培养液里获取的α…淀粉酶，相当于几
千头猪的胰脏的含量。然而，致力于酶工程研究的学者并不满足于这一点，
他们用基因工程的手段，将这种芽孢杆菌的合成α…淀粉酶的基因转移到一种
繁殖更快、生产性能更好的枯草杆菌的 DNA 里，转而用这种枯草杆菌生产α…
淀粉酶，使产量一下子提高了数千倍。
人体里的尿激酶，是治疗脑血栓和其他各种血栓的特效药。以前常见的
生产手段是从人尿中提取，其落后性显而易见，产量也毕竟有限。学者们从
人的肾脏细胞中分离出尿激酶基因，转移到大肠杆菌的 DNA 中，用 DNA 重组
后的大肠杆菌来生产人尿激酶。生产效率自然提高了不少。
通过基因重组来改造产酶的微生物，建立优良的生产酶的体系，被认为
是最新一代的酶工程（第四代酶工程）。这是酶工程与基因工程的结合点。
基因工程被称为生物工程的灵魂，在这里又一次展现了它的动人之处。
除了酶的生产之外，近些年来，酶工程又出现了一个新的热门课题，那
就是人工合成新酶，也就是人工酶。这是因为，人们发现光从微生物里提取
酶仍不能满足日益增长的对酶的需求，需要另辟新路。
人工酶是化学合成的具有与天然酶相似功能的催化物质。它可以是蛋白
质，也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的，它要求
人们弄清楚：酶是如何进行催化，关键是哪几个部位在起作用，这些关键部
位有什么特点……最终，对人工酶还有另一层要求，那就是简单、经济。
有人已经合成了一个由 34 个氨基酸组成的大分子，这个大分子具有跟核
糖核酸酶一样的催化作用。然而，人们仍然嫌它太复杂，继续寻找更简单、
更稳定、更小的人工酶，寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。
尽管人工酶的效益尚不明显，然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。
也许，在不久的将来，人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地，
而且地位不断上升，甚至压倒天然酶。
酶工程的“心脏”——固定化技术
80 年代，当酶工程方兴未艾之时，一些学者以饱满的热情和丰富的想象
力，向世人描绘了一份未来化学工业的蓝图；广阔的海滩上排列着密如蛛网
的反应槽和反应管，这些反应槽和反应管里面安装着各种固定化酶或固定化
细胞，彼此连通，组成了一个庞大的反应系统。反应系统的一端不停地输入
取之不尽的海水和空气，以及从其他工厂里输送来的一氧化碳和二氧化碳；
另一端源源不断地送出各种化工产品，如化肥、橡胶、有机酸等等。这里不
需要什么高温高压设备，也没有噪声、废水和废气……
这不是什么天方夜谭。步入 90 年代，以空气为原料，用酶工程生产氮肥
已初见端倪——用固定化酶来合成氨，已实现了少量的工业化生产。所使用
的酶，有的是从固氮菌中分离、提纯出来的固氮酶，有的则是根据固氮酶的
化学模型制成的人工模拟酶。预计，世界各国的大型氮肥厂将逐步改用酶工
程来合成氨，这样既可节约大量的高温高压设备，又能在世界范围内每年节
约相当于 10 亿吨石油的能源。
不仅是生产氮肥，用空气、水、一氧化碳和二氧化碳来生产形形色色的
化工产品，对酶工程而言，都不是办不到的事。
这里，很关键的是酶的固定化，它被称为是酶工程的中心。
酶作为各种化学反应的催化剂，除了具有高效、专一的优点之外，同时
也存在着一些缺点。例如，由于酶在本质上是蛋白质，在遇到高温、强酸、
强碱时就会失去活性，毫无催化功能可言。又如，酶的分离、提纯和生产，
要花费大量的时间，投入大量的技术和劳动，因而成本很高，价钱很贵。
对酶工程来说，最要命的是，酶催化反应往往是在稀释液体里进行的，
反应完毕，酶难以回收。也就是说，事实上酶只能使用一次。
一方面是酶的成本很高，一方面是酶可以反复使用成千上万次而事实上
只使用了一次，这不是太浪费了吗？酶的推广应用在这个问题上遇到了拦路
虎。
60 年代初，一位以色列科学家率先取得了突破。他发现，生物细胞里的
许多酶并不是独立在溶液里起作用，而是包埋在细胞膜里或其他细胞器里面
起作用的。于是，他试着把分离得到的酶结合到某种不溶于水的载体上，或
者是包埋于天然的或人工合成的膜上，这样就装配成了固定化酶。接着他又
对固定化酶的催化特性进行观察，出乎意料地发现，许多酶经过固定化以后，
活性丝毫未减，稳定性反而有了提高。在反应容器里，固定化酶可以反复利
用，成百次、成千次在发挥效能，以不变促成万变。这位以色列科学家万分
欣喜地将他的发现公诸于世。
这一发现是酶的推广应用的转折点，也是酶工程发展的转折点。
在这一发展的基础上，酶的固定化技术日新月异。它表现在两方面：
一方面是固定的方法。从目前来看，固定的方法有四大类：吸附法、共
价键合法、交联法和包埋法。所使用的载体材料和结合技术五花八门，层出
不穷。
另一方面是，被固定下来用于催化反应的，除了各种酶之外，又发展了
含有酶的细胞，这又叫固定化细胞。固定化细胞省却了酶的提取和纯化，而
且它具有多种酶，能催化一系列的反应，大大提高了效率。有意思的是，固
定化细胞还经历了从固定死细胞（其中的酶仍有活性）到固定活细胞的发展
过程。
与自然酶相比，固定化酶和固定化细胞具有明显的优点：
一、可以做成各种形状，如颗粒状、管状、膜状，装在反应槽中，便于
取出，便于连续、反复使用。
二、稳定性提高，不易失去活性，使用寿命延长。
三、便于自动化操作，实现用电脑控制的连续生产。
固定化技术使得酶工程的推广如同雨后春笋一般。从日本首先采用固定
化酶来生产氨基酸开始，到如今已有数十个国家采用固定化酶和固定化细胞
进行工业生产，产品包括酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等
等。今后酶工程发展的步伐，也将与固定化技术的提高紧紧相连。
日常生活中的酶工程
如果要举几个例子来说明酶的应用，也许有人会提到：
加酶洗衣粉，洗衣粉添加进蛋白酶后大大增强了去污能力，能把衣物洗
得洁净如新；
多酶片，它所含的多种酶会增加人的消化能力，专治积食、消化不良；
SOD，全名叫超氧化物歧化酶，被广泛用于食品、饮料、牙膏和化妆品中，
它能去除人体内的垃圾——超氧化物，使人延缓衰老，保持青春活力；
加酶洗衣粉、多酶片和 SOD 饮料确实是酶的应用实例。不过，对于酶工
程来说，它们犹如大海中的几片浪花一样，只是简单的应而用已。在更深的
层次上，酶的应用更为丰富多彩，更能体现酶工程的无穷魅力。
糖，不仅一日三餐离不开，还常为节日喜庆作铺垫，在我们的生活中自
有它一定的地位。我们平时吃的蔗糖，是用甘蔗和甜菜生产的，这个传统已
经维持了数千年。进入 70 年代，这个传统被打破了。一种叫做高果糖浆的东
西开始部分取代蔗糖的地位，而高果糖浆正是酶工程的产物。
生产高果糖浆的原料是淀粉。它的生产过程比较复杂，原理却是简单明
了的。淀粉是由一个一个葡萄糖分子连接成的长链大分子。它先被α…淀粉酶
切成一段一段中等大小的分子，称为糊精，然后由糖化酶把糊精切成一个一
个的葡萄糖分子。这样淀粉也就变成了葡萄糖。葡萄糖也是甜的，但是甜味
不强，甜度只有蔗糖的 2／3 左右。于是再请葡萄糖异构酶出场，它的特长就
是把葡萄糖转化成果糖。果糖比蔗糖还甜得多，甜度是蔗糖的 1．7 倍左右。
经过转化、提纯、混和等工序，最后的产物是含果糖 55％、葡萄糖 45％的高
果糖浆。高果糖浆的甜味正好与蔗糖相当。
高果糖浆的优点在于它的原料是来源广泛、价格低廉的淀粉，生产成本
只是价格的 28％左右，因而在与蔗糖的竞争中处于十分有利的地位。在美
国、日本等发达国家，高果糖浆的产量连年大幅度增长，蔗糖的消费量却连
年大幅度下降。
在“为生活添加甜味”这一领域里，酶工程并没有因为生产高果糖浆的
成功而停止脚步，学者们又转向了两个课题：一个是用酶把葡萄糖转化成蔗
糖，一个是用蛋白酶来生产比蔗糖甜 200 倍的天门冬氨素。
自从 50 多年前青霉素被发现并投入临床应用以来，很长时期它一直是对
付许多炎症的首选药物。然而，它也有缺点，一是使用多了，许多病菌对它
产生了抗药性；二是它对一部分病菌本来就没有杀伤力。许多科学家开始研
究如何对青霉素进行改造。办法很快找出来了，那就是使用青霉素酰化酶对
青霉素进行裂解，然后再合成新一代的青霉素，它的名称是半合成青霉素。
半合成青霉素比它的母体——青霉素杀菌力更强，杀菌面更广，不过，青霉
素酰化酶很娇贵，不稳定，因而，实现半合成青霉素的工业化生产一度陷入
了僵局。
随着酶工程研究与开发的进展，这个僵局终于被打破了。德国科学家还
运用遗传工程手段改造大肠杆菌，获得了青霉素酰化酶高产菌株，大大提高
了生产效率。大批的半合成青霉素投入了临床应用，取得了理想的医疗效果。
今天，如果有谁的炎症在使用了甲氧苯青霉素、羧苄青霉素（它们都是半合
成青霉毒）后迅速消退，那也该谢谢那造福人类的酶工程。
生机勃勃的生物技术
食品的未来——蛋白质工程
奶酪是最原始的酶工程的产品。而今，现代的酶工程也将奶酪列为生产
对象。然而，困难出现了。生产奶酪时用来杀菌的 T4 溶菌酶，在工作环境温
度 67℃下，3 小时后活力仅剩下 0．2％，这样就无法维持正常生产。
这个问题留给蛋白质工程来解决。
蛋白质工程是新一代的生物工程。蛋白质工程的中心内容是改造现有的
蛋白质，生产新的、自然界并不存在的蛋白质来满足人们的需求。这些蛋白
质主要是酶。
高新技术的日新月异实在令人赞叹不已。生物工程至今还常常被人用“方
兴未艾”这个词来形容，却已经有了崭新的一代。基因工程、细胞工程、发
酵工程、酶工程这四大支柱已经被归入“老一代”了。
这些“老一代”的生物工程确实还存在缺陷，还有许多问题需要解决。
上面说到的 T4 溶菌酶便是一例。又如，人们寄托了很大希望的抗肿瘤、抗病
毒药物干扰素，遇热也极易变性，在 …70℃的低温条件下也只能保存很短的时
间。问题之二是产品的副作用。例如，用小鼠细胞培养、生产的单克隆抗体，
进入人体后一方面表现出强大的药理作用，一方面却会引起免疫反应，因为
它毕竟是异体蛋白。此外，生物工程的许多产品还存在着活性低、提纯困难
等问题，这些问题正是蛋白工程的攻关对象。
要改造一种蛋白质，大致要经过三个阶段：
一、通过计算机图像分析，找出蛋白质整体结构中足以引起某个性能发
生改变的关键部位，或者说在氨基酸长链中找到那个关键的氨基酸。然后确
定这个氨基酸需要如何加工修饰，或者干脆用哪一个氨基酸来代换。
二、找到生物细胞中指导合成这种蛋白质的 DNA 片段，并找出与那个关
键氨基酸相对应的碱基，经过分析后用另一个碱基来取代它。这个繁琐的过
程也少不了计算机的帮助。
三、将改造过的 DNA 片段移植到细菌、酵母菌或其他微生物体内，经过
培养，筛选出能“分泌”出理想的新蛋白质的菌株，再运用发酵工程大量生
产这种新蛋白质。
以上说的仅仅是蛋白质工程一种比较有代表性的生产过程，对这个过程
的描述也是极其粗略的。然而，它大概已经能表明，蛋白质工程集中了生物
工程的精粹，而且还是计算机技术和现代生物技术杂交生成的宠儿。
拿计算机图像显示来说，它显示的不仅是氨基酸排列顺序，也不仅是氨
基酸长链如何缠绕、盘旋的立体结构，还要显示出每个氨基酸的受力情况—
—在哪些相邻分子的引力下处于平衡状态。更进一步地，它还要显示如果某
个氨基酸发生改变，这个平衡状态将如何变化，对整个蛋白质的功能将会有
什么样的影响。如果没有现代计算机技术，这一切都是难以想象的。
蛋白质工程问世时间不长，取得的成果已经令人刮目相看：
那种 T4 溶菌酶，蛋白质工程施以回春妙手，将它的 3 位异亮氨酸换成半
胱氨酸，再跟 97 位半胱氨酸联接起来。这样，它在 67℃下反应 3 小时后，
活性丝毫未减。
在…70℃的低温下难以保存的干扰素，经蛋白质工程的点化，两个半胱氨
酸被换成丝氨酸，一下子变得可以保存半年之久了。
一种生产中很有用的酪氨酸转移核糖核酸酶，只是在一个位点上用脯氨
酸取代了苏氨酸，催化能力一下子提高了 25 倍。
对于用小鼠细胞培养生产的单克隆抗体，专家们已经提出了“开刀方
案”，打算把它整修得更接近于人的抗体，以减轻副作用。
……
蛋白质工程不仅要对那些生物工程的产品进行再加工，还要对一些纯天
然的蛋白质进行模拟和改造。
例如，那绵软、飘逸的蚕丝，那蓬松、暖和的羊毛，那纤细、坚韧的蛛
丝，它们本质上都是蛋白质。对它们进行模拟和改造，再实现大量生产，将
会获得性能比蚕丝、羊毛、蛛丝更优异的材料，改善我们的生活条件。
浏览一下对蛋白质工程的众多评价是很有意思的。
有人称它是第二代生物工程，有人称它是第二代基因工程。
有人说它“曙光初露”，有人说它“前途无量”。
80 年代，有人将“21 世纪是生物学的世纪”这句话改成“21 世纪是生
物工程的世纪”；90 年代，又有人提出，“21 世纪是蛋白质工程的世纪”。
众多人们的关注和瞩目才会引起众多的评价。众多评价至少传递出一条
信息：蛋白质工程充满魅力，充满希望。在近几年内，蛋白质工程可能会取
得更多的突破，又将会招来许多新的评价，我们期待着。
生命延续——低温生物工程
从 60 年代起，一门崭新的
