酶工程在醫藥中的應用

王艷寶

（江蘇晶立信醫藥科技有限公司，江蘇南京 210000）

酶工程是應用生物技術的主要研究內容之一，其在工農業、醫藥衛生及環保等領域均有應用。當下，環境污染程度加重、食品安全問題屢次出現，人們主觀上對綠色生物工藝的渴求度顯著提高。酶工程作為生物催化的核心，歷經數十年的發展歷程，其研究內容日漸深入化，涉及到全細胞催化劑、核酸酶等諸多領域。若能在醫藥生產中合理應用酶工程，則能使醫藥工業健康、持續發展獲得更強大的技術支撐，創造出更大的效益。

1 酶工程的介紹

酶工程也被叫作蛋白質工程學，是指在某種條件下應用酶的催化功能，并配合使用相應的反應器與反應條件生成相應的催化化學反應。當下，酶工程在工業、農業及醫藥工業領域中均有一定應用，發揮出很大的現實作用。在科學技術日新月異的背景下，重組DNA 技術有很大發展，其對批量生產具有一定醫療價值的酶有促進作用，酶工程也逐漸被用于臨床醫療領域中[1]。

因為酶自身有較強的催化特性，這在很大程度上決定了其高應用效率，以往有實驗研究發現，酶的催化作用是非催化物的108～1020 倍，是非酶催化的107～1013 倍，這表明酶的催化作用在效率方面占據很大優勢。此外，酶還具備反應條件溫和、高度轉移性與可調控等屬性。

2 酶工程技術的主要類型

2.1 酶與細胞的固定化

主要是采用物理或者化學方法把酶或者細胞固定在膜狀、顆粒樣、管樣載體上，這些載體可以是水溶性或者非水溶性的。當下，我國自主研發過的固定化酶大概有五十種，其主要被分為三種類型[2]：一是固定化單酶或者含有特定酶的細胞；二是固定化雙酶；三是由固定化各種激酶組建而成的ATP 再生系統。該項技術最大的特征是能顯著提高酶的耐熱性、耐酸堿性。吸附、共價整合、包埋等是常見的固定化法，近些年又陸續開發了以光照、輻射為載體的物理技術與定點固定化技術法。在制藥工業中，包埋法的使用率相對較高，吸附法次之。

2.2 酶的化學修飾

實質上就是在化學方法的協助下，將一些化學物質或基因整合到酶分子上，或者對酶分子的局部進行刪減或置換處理，借此方式修整酶的理化性質，最后實現整改酶自身催化性質的目標。氨基、咪哇基等是修飾酶的常見功能基團。酶分子中或者不同分子間進行交互聯接時，利用一些功能試劑分子兩側的功能基團能夠實現，交聯后形成的酶熱穩定性與抗蛋白酶的性能均得到提升；結合酶和高分子化合物，不僅能提高酶的穩定性，還能改善其生物活性。乙酸配、氮芥類等均是常用的修飾劑。

2.3 酶標藥物

最近幾年中，國內外很多學者依照藥物在生物機體中可能的作用對象去設計研發藥物，通過以上途徑制備出的藥物被叫做酶標藥物。當下，這種設計方法已經成為藥物設計領域中的主流形式，在開發新藥品方面表現出良好效能。血管緊張素肽轉換酶（ACE）抑制劑便是該法應用的典型實例，ACE 抑制劑是臨床上經常使用的一種降壓類藥物。過往有研究發現，艾滋病（AIDS）病毒顆粒表層吸附的蛋白酶是導致AIDS 感染和傳播的“罪魁禍首”，故而AIDS 病毒蛋白酶成為了醫藥工業領域中的一大熱點，很多學者期盼通過研發相應的抑制劑，去探尋防治AIDS 的新方法。

2.4 核酸酶

這是一種由核糖核酸（RNA）構成的酶，其核酸序列表現出高度的特異性。若能獲知某種核酸酶的核苷酸序列，則便能順利的設計出具備自我切割功能的核酸構成，參照這些基因組的序列特征，能研制出防治一些人、禽畜與植物病毒病的核酸酶，比如流感、肝炎等。

3 酶工程在醫藥中的應用

3.1 制備生物代謝產物

采用固定化細胞能夠批量化生產多種初級或者中間產物，比如糖、有機酸以及氨基酸等，D-果糖、甘油、檸檬酸、蘋果酸等均是典型產品。如下列舉兩個例子進行闡述：

1）利用包埋法或者吸附法固定化（IMM30）發酵制造出甘油。也可以使用海藻酸鈣與卡拉膠包埋法制造出甘油，生產量依次是23.6g/L 與27.4g/L，也可以使用聚丙烯酰肼（PAAH）包埋法，甘油產量最高能達到32g/L。而如果燒結玻璃吸附法生產出的甘油，其濃度能夠達到26.2～29.5 燒結玻璃吸附，持續轉動400h，大部分細胞依然能和載體維持結合狀態[3]。

2）采用海藻酸鈣包埋法生產制造檸檬酸，持續運轉12d 后，檢測發現反應液內檸檬酸濃度能維持在14g/L 左右，和批式法相比較，連續柱反應器能取得更好效果，主要由于伴隨反應產物內檸檬酸濃度的提高，對菌體利用葡萄糖的效率形成一定抑制作用。

3.2 生產抗生素

現代酶工程有技術先進、廠房設備成本低、工藝構成簡單、能耗少、產品回收率高、效益產出量大及污染輕微等優勢特征，逐漸成為醫藥化工領域中的“主力軍”。過往應用化學合成、微生物發酵等傳統工藝技術生產制備出的藥品，都可以利用酶工程制造出來，甚至能夠開發出傳統技術不能制造出的昂貴藥物，比如人胰島素、7-ACA、6-APA 以及7-ADAC 等[4]。既往有很多人員采用酶法制備7-ACA、7-ADAC 等中間體，而后利用半合成工藝制造出臨床醫療中廣泛應用的多種內酰胺抗生素，并且部分抗生素在生物轉化階段，因需要部分輔因子參與反應過程，導致單純使用酶法轉化不能取得預期效果，只能利用微生物轉化過程取落實子厚的化學修飾工作。

可以采用青霉素酰化酶生產抗生素，選用天然芐青霉素做底物，產物以6-APA、7-ADAC 等為主；也可以采用頭孢菌素酰化酶、無色桿菌生產D-苯甘氨酸甲酯+7-ADAC，形成的產物均是頭孢氨芐。

3.3 制藥工業

金血檢中，藥物的化學結構復雜度有很大提升，環保事業在推進階段對綠色合成工藝技術也提出更多的新要求。在這樣的背景下，制藥產業也在不斷探尋成本更低、更安全穩定、更綠色環保的生物催化工藝。在生物合成階段，合理使用生物化學工藝能顯著提升一些化學合成效率，比如手性胺合成、區域羥基化以及部分氧化還原反應等。

甾體類藥物為繼抗生素類藥物以后的第二大類藥物。維生素轉化階段能夠完全或者局部解除甾體類藥物產量低、類型繁雜、醫藥市場需求量缺口較大等現實問題，但微生物合成階段暴露出副產物與目標產物結構相似度高、副產物分離難度大、產品難溶于水及轉換效率偏低等不足，對甾體制藥行業持續、健康發展形成一定制約作用。在科學分析甾醇微生物代謝過程機制與代謝路徑調整控制的基礎上，逼著構建了以分枝桿菌甾醇代謝為基礎的靶向性基因編輯平臺，通過合理敲除或者敲進靶基因，創新研發出了和目標產物相配套的代謝工程類菌種，該類菌種的特點有選擇性高、降解率偏低等[5]。以此為基礎，從多個方面認識分枝桿菌細胞膜在提獲和轉化甾醇過程中的重要作用，研發了科學修飾細胞膜重要組分的技術方法，這能同步提升微生物水相吸收與甾醇轉化率。正因如此，逼著成功創建了一個緊扣甾體藥物合成的“細胞工廠”，其制造出雄甾烯酮、C22 羥基孕酮等多種甾體中間體。并且還設計了新分枝桿菌內甾醇分解代謝內的限速流程，并由M.neoaurum 內挖出參與以上環節的兩種膽固醇，分別是ChoM1、ChoM2，后者和其他膽固醇氧化酶基因的相似度僅有45%。為證實ChoM1、Cho M2 組合在以上步驟運行階段發揮的作用，還研發了如下方法：強化新霉屬菌株內膽固醇氧化酶的生物活性去應對這種限速作用，借此方式去提高甾醇轉化效率。

也可以采用生物催化工藝制備西他列汀，本品藥物是當下臨床治療2 型糖尿病（T2DM）的常用藥，在1mol/L、40℃的反應條件下，選用50%的DMSO 作為助溶劑，能使200g/L 西他列汀前體酮轉化率達到100%，產物ee＞99.95%[6]。和傳統銠催化工藝做比較，生物催化不僅能提高底物的利用效率，解除對稀有重金屬（Rh）的需求，還能較明顯的提高總收率，最后產率提升了50%左右。

3.4 臨床體外檢測試劑

近些年，國內大型綜合醫院臨床陸續使用了生物傳感器，多被用于監測監護環節，生物傳感器的存在具有較高的權威性，其作為酶工程技術在臨床體外檢測領域中的一項重大應用，是由固定化酶整合形成的，比如安放在動脈或者靜脈內的葡萄糖傳感器，其功能主要是有效、連續的監測機體內血糖含量，并把有關信息快捷的反饋給植在人體內部的胰島素泵，借此方式精準的調控胰島素泵內的胰島素釋放量，進而提升病患的治療效果，改善預后。

總之,酶工程的重要作用已經得到世界各國的公認，應進一步發揮其自身的催化功能、拓展應用范疇及提升應用效率等，以上均是酶工程應用研究的主要內容。相關人員在實踐中應持續探索提升固定化、分子修飾等技術應用效果的方法，將其應用范疇逐漸拓展至生物芯片、蛋白質結構與功能研發等領域中，使酶工程在醫藥領域中將自身價值發揮到最大化。