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人工合成酶的研究及应用前景酶作为一种生物催化剂，在生物学、医学、工程等多个领域具有重要的应用价值。
然而天然酶所具有的稳定性、选择性和效率等方面的局限性，限制了其在某些领域的应用。
人工合成酶作为一种新型酶具有很高的研究和应用价值，在国内外学术界和产业界得到广泛关注和重视。
人工合成酶的研究已成为生物学、化学、工程等多个学科交叉的前沿课题。
人工合成酶是利用生物技术手段，在分子水平上组装构造并形成的新型酶。
与天然酶相比，人工合成酶具有更高的稳定性和选择性，更高的催化效率，可以针对不同的底物选择性地催化化学反应，可控性强，是一种具有广泛用途的新型酶。
目前，人工合成酶的研究主要包括三个方面，分别是酶的演化、酶的设计和酶的表达和纯化。
其中，酶的演化是指通过多次基因突变和筛选，构建出新的突变酶；酶的设计是指利用计算机模拟技术，结合结构生物学和化学等知识，设计和构建出具有特定性质和功能的新型酶；酶的表达和纯化是指利用分子生物学和生物工程学技术，将人工合成的酶大量表达和纯化出来，以便进行生物催化反应的研究和应用。
人工合成酶的研究不仅在理论上有着广泛应用价值，在实际应用中也有着很多的应用前景。
下面介绍人工合成酶的三个应用方向：1、制药领域利用人工合成酶，在药物合成过程中可以提高合成的效率和选择性，降低合成成本，减少废物排放，从而优化制药工艺。
此外，由于人工合成酶具有更高的稳定性和选择性，可以设计和合成更具有效能的药物，提高药物的治疗效果。
2、生物能源领域生物能源是发展可再生能源的一个重要方向。
利用人工合成酶，可以设计和构建新型代谢途径，以更高的效率和更低的成本生产生物燃料，从而实现对化石燃料的替代。
此外，利用人工合成酶还可以提高废弃物的转化率，减少排放量，降低环境污染。
3、化学领域人工合成酶可以用于有机合成反应，可以催化多种有机反应，例如碳-碳键形成反应、酰基转移反应、芳香族羧酸还原反应等。
相比传统的有机催化剂，人工合成酶具有高选择性、高效率、绿色环保等优点，对化学品工业的发展具有巨大的潜力。
现代生物化工中酶工程技术研究与应用发布时间：2023-03-22T05:25:58.679Z 来源：《科技新时代》2023年第1月1期作者：刘捷穆圣文孙明广[导读] 在现代生物化工的发展过程中，酶工程是重要组成部分，已广泛应用于食品、医药、轻工业、畜牧业、环保、刑侦等领域，一般用于其中的预防、工艺和甄别检测等刘捷穆圣文孙明广身份证号码：37030219931103****身份证号码：37030419941024****身份证号码：37292819900118****摘要：在现代生物化工的发展过程中，酶工程是重要组成部分，已广泛应用于食品、医药、轻工业、畜牧业、环保、刑侦等领域，一般用于其中的预防、工艺和甄别检测等。
关键词：现代生物化工；酶技术；酶工程引言酶工程又被称为蛋白质工程学，主要服务于人类生产及其他目的。
具体来讲，酶工程是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在一定条件下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于其他目的的一门应用技术。
酶工程的研究内容众多，如酶制剂的制备、酶的修饰改造等。
生物酶由有机物体的活细胞孕育而来，可对生物机体内的生物反应产生催化作用。
通常情况下，可从以下几个方面总结生物酶的特点。
①具有较高的催化效率。
相较于其他类型的催化剂，酶往往具有更高的催化效率，能够高出107～1020倍左右。
②具有明显的专一性特征。
其他催化剂能够对多种化合物的反应进行催化，而生物酶则只能够对一种化合物的反应进行催化。
③具有较为温和的反应条件，能够调控酶的催化过程。
但由于其属于蛋白质范畴，温度、pH值等因素会在很大程度上产生干扰作用，导致生物酶活性减弱，缺乏良好的稳定性。
1酶工程技术在生物化工行业应用中遇到的问题目前，酶工程技术在酶工程技术的发展相对来说还不够成熟，所以在部分前期的应用中，避免不了会出现一些亟待解决的问题。
首先，在新产品的应用中，缺少科学性及创造性。
虽然酶工程技术在酶工程技术领域的应用较普遍，但是很多技术成果都是借鉴而来的，并不是依靠自身的创新发明得到的，对新产品的研发资金投入力度不够，人力和物力的匮乏使生物制药的发展受到限制。
蛋白质工程和人工酶的研究和应用蛋白质是生命活动中不可或缺的物质，在细胞内发挥着重要的催化、运输、信号传递等功能。
近年来，随着生物技术的发展，人们开始重视对蛋白质的研究和应用。
其中，蛋白质工程和人工酶的研究和应用成为热门话题。
本文将以此为主题，探讨蛋白质工程和人工酶的研究进展、应用现状及前景展望。
一、蛋白质工程的研究进展为了实现人类对蛋白质的更深入理解、更高效利用和更精确控制，人们提出了蛋白质工程的概念，即应用基因重组、突变、构建等手段对蛋白质进行修饰和改造，使其具有更好的性能和功能。
蛋白质工程的研究涉及到许多领域，如基础科学、医药学、食品工业等，这里介绍其中几个重要的方向。
1. 基因重组技术利用基因重组技术可以将两个不同物种的基因进行重组，产生具有新性状的蛋白质。
例如，将鼠的免疫球蛋白基因和人的免疫球蛋白基因进行重组，可以产生人-鼠嵌合型免疫球蛋白，用于治疗某些疾病。
此外，还可以将两种酶基因进行重组，产生具有更高催化效率的蛋白质。
2. 突变技术通过突变技术可以产生蛋白质的不同形态或性质，如改变酶的催化活性、选择性、稳定性等。
例如，将胰岛素的丝氨酸替换为脯氨酸，就可以得到抗胰岛素的药物。
此外，还可以利用突变技术优化抗体的结构和亲和力，用于治疗癌症等疾病。
3. 构建技术构建技术可以通过合成不同肽段或蛋白质区域实现蛋白质的修改和修饰，如纯化、过滤、结晶等，从而达到改变蛋白质功能和结构的目的。
例如，将含有低氧感受器域的蛋白质进行构建，可以得到与肿瘤发生相关的蛋白质，为癌症治疗提供了新的思路。
二、人工酶的研究进展人工酶，即由非酶性物质构建的具有酶活性的体系，是生物催化领域的一个重要研究方向。
相较于天然酶，人工酶具有更好的稳定性、特异性和选择性，能够用于催化试剂合成、生物转化、环保等多个领域。
1. 化学人工酶化学人工酶是利用小分子化合物模拟酶的活性和选择性，从而实现生物催化的过程。
其中，小分子主要包括有机配体、有机催化剂等。
《利用以葫芦[6]脲为主体分子的分子机器构建pH敏感性智能GPx人工酶》一、引言近年来，随着生物医学和纳米技术的快速发展，人工酶的设计与制备已经成为了一个新兴的热门研究领域。
特别是，人工模拟生物体内自然存在的酶，尤其是过氧化物酶（GPx），不仅对基础研究具有深远的意义，也对医学治疗、疾病诊断和环境治理等实际领域具有重要的应用价值。
在本研究中，我们以葫芦[6]脲为主体分子，设计并构建了一种新型的pH敏感性智能GPx人工酶。
二、分子机器的构造与设计我们的分子机器以葫芦[6]脲为主体分子。
葫芦[6]脲是一种具有独特空腔结构的分子，可以与其他分子形成良好的结合，有利于我们在其中进行进一步的修饰和构造。
在构建人工酶时，我们采用了一系列的分子工程方法，设计并组装了一种分子机器。
该分子机器的构造主要包括两部分：一是以葫芦[6]脲为主体分子的空腔结构，二是连接在空腔结构上的功能基团。
这些功能基团包括可以与过氧化物反应的活性基团以及可以响应pH变化的敏感基团。
通过这些设计，我们期望该分子机器能够在特定的pH环境下表现出类似天然GPx的活性。
三、pH敏感性智能GPx人工酶的构建在构建pH敏感性智能GPx人工酶时，我们利用了分子机器的特性。
首先，我们利用了葫芦[6]脲的空腔结构以及其与其他分子的结合能力，设计了一种可以在不同pH环境下改变构象的分子机器。
这种分子机器在特定的pH环境下，其构象会发生变化，从而影响其功能基团的活动性。
这种构象的变化将导致人工酶的活性发生改变，从而实现其在不同pH环境下的适应性。
同时，我们还利用了连接在分子机器上的功能基团。
这些功能基团可以与过氧化物发生反应，模拟天然GPx的活性。
通过这种方式，我们成功地构建了一种具有类似天然GPx活性的pH敏感性智能人工酶。
四、实验结果与讨论通过一系列的实验，我们验证了我们的设计是有效的。
在特定的pH环境下，我们的pH敏感性智能GPx人工酶表现出了良好的活性。
人工合成酶的研究与应用酶是一类生物催化剂，在生物合成、分解、转化等多种生命活动过程中扮演着重要的角色。
利用酶进行生产和合成有很多优点，例如：反应速率快、废物少、产品质量好等。
然而，天然酶的生产受到条件限制，如温度、压力、pH值等。
因此，人工合成酶的研究与应用成为了当前生物技术领域的热点之一。
一、人工合成酶的定义和分类人工合成酶指的是基于生物催化的原理，通过人为设计和合成已知催化机理相似或相同的化学分子，以此来模拟天然酶的催化作用。
根据催化机理的不同，人工合成酶可分为化学催化酶和仿生酶。
化学催化酶是指使用有机或无机催化剂来替代天然酶中的催化部位，以实现与天然酶类似的催化反应。
如用可控的光和热条件制备出氧化亚铜团簇来模仿酪氨酸酶的催化效果。
仿生酶是指由生物大分子或有机小分子构建的人工酶，仿生酶模仿了天然酶中的结构和催化活性。
仿生酶可分为大分子仿生酶和小分子仿生酶。
大分子仿生酶是基于天然酶的三级结构和催化功能，人工合成的具有相似催化活性的人工蛋白，常用的大分子仿生酶包括蛋白质酶、核酸酶、氧化酶等。
小分子仿生酶是指由小有机分子组成的类酶物质，这类物质通常由一些配位化合物或有机小分子与无机离子或有机配子组成，如杯芳基、邻二胺基等。
二、人工合成酶的制备方法人工合成酶的制备方法根据不同的目的和方法选择不同的原材料，可分为生物和非生物制备。
生物制备是通过基因重组、蛋白质工程等生物技术手段，利用自然酶分子的结构、信息、特性，设计并合成人工合成酶。
如将目标蛋白的DNA序列插入到表达载体中，然后在细胞内合成，最后纯化出目标蛋白。
此方法较为复杂，但合成的人工合成酶特异性高、催化效率高、容易纯化。
非生物制备主要有光化学、金属有机化学、分子印迹等方法：光化学制备是通过控制光反应过程，人为合成有机小分子来实现催化作用，如用可控的光通过还原剂还原银离子，形成能催化氧化反应的银纳米粒子。
金属有机化学制备是通过金属离子和有机化合物配合而成的配体形成人工合成酶催化反应，如制备具有可控氧化活性的三元钴锌酰化物。
第29卷第2期 辽宁工业大学学报(自然科学版) V ol.29, No.22009年 4 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Apr.2009收稿日期：2008-12-12作者简介：邢锦娟(1980-)，女，山西原平人，助理实验师。
人工模拟酶技术的研究与应用邢锦娟，刘 琳（渤海大学 应用化学省级重点实验室，辽宁 锦州 121003）摘 要：人工模拟酶是为了顺应克服传统酶对热敏感、稳定性差、来源有限以及催化条件局限性等缺点的需要，而研制和开发的一种新型催化剂。
简要地概述模拟酶研究的理论基础，并分别从小分子仿酶体系，大分子仿酶体系，以及当今的研究热点抗体酶等几个方面对人工模拟酶模型的研究进展作了简要介绍。
关键词：模拟酶；主-客体化学；超分子化学理论；分子印迹；催化抗体中图分类号：O621.25 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2009)02-0125-04Research and Application of Artificial Enzyme TechnologyXING Jin-juan ，LIU Lin（Provincial Key Laboratory for Applied Chemistry, Bohai University, Jinzhou 121003, China ）Key words: enzyme; main-object chemistry; supramolecular chemistry; molecular imprinting;catalytic antibodiesAbstract: Artificial enzyme was a new type of catalyst developed and researched, which overcame the shortcomings such as the traditional heat-sensitive, poor stability, the limited sources, as well as the limitations of the conditions. Theoretical basis in research was briefly outlined, respectively from the aspects of small molecules, large molecules like-enzyme system, as well as the present burning points in antibody enzyme research, the research progress of artificial enzyme model was briefly described.酶是自然界经过长期进化而产生的一种生物催化剂，它具有催化效率高、作用专一性强和反应条件温和等显著特点。
它不仅是促进一切生命活动代谢中的各种化学反应在常温、常压和中性条件下得以迅速进行的重要物质，同时也和人们的衣食住行休戚相关，在生产实践和基础理论研究中都起着非常重要的作用。
因此对酶的探讨和研究，一直是生物科学研究中的焦点问题之一。
但是，由于酶对热敏感、稳定性差和来源有限等缺点限制了它的规模开发和利用。
在20世纪中叶，人们认识到研究和模拟生物体系是开辟新技术的途径之一，通过对生物体系的结构与功能的研究，为设计和建造新的技术提供新思想、新原理、新方法和新途径[1]。
因此，人们试图继承酶的优点，改变其易变性失活的缺点，并且希望能用有机合成的方法大量的制备酶，从而开始进行酶功能的模拟研究。
于是，新的催化剂——模拟酶就逐渐被研制和开发了。
人工模拟酶是近年来发展起来的仿生化学的重要方向，同时利用这一系列新型催化剂也有利于促进化学工业向环保、绿色、无公害的理想境地发展。
1 主-客体化学和超分子化学理论诺贝尔奖获得者D J Cram, C J Pederson 与J M Lehn 相互发展了对方的经验，提出主-客体化学[2]和超分子化学[3]，奠定了模拟酶的重要理论基础。
本质上，主-客体化学的基本意义来源于酶和底物的相互作用，体现为主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补，这种主-客体互补与酶和它所识别的底物结合情况近似。
超分子的形成源于底物和受126 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第29卷体的结合，这种结合基于非共价键相互作用，如静电作用、氢键和范德华力等。
当接受体与络合离子或分子结合成稳定的、具有稳定结构和性质的实体，即形成了“超分子”，它兼具分子识别、催化和选择性输出的功能。
主-客体化学和超分子化学是人工模拟酶研究的重要理论武器。
根据酶催化反应机理，若合成出能识别底物又具有酶活性部位催化基因的主体分子，同时底物能与主体分子发生多种分子相互作用，那就能有效地模拟酶分子的催化过程。
2 模拟酶的研究由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和目的不同，至今对模拟酶没有一个公认的定义。
一个很好的酶模型应满足天然酶催化的基本准则，Stoddort提出六个原则作为衡量标准：(1)底物选择性，(2)与底物能迅速结合，(3)与产物能迅速分离，(4)反应结束后(至少其活性部位)能够再生，(5)可自动调控活性，(6)有较高的转换数。
其中（4）~（6）是必备条件，而(1)~(3)最好能满足。
模拟酶的底物选择性可以与原酶有所不同，以适应实际反应的需要。
人工合成酶在结构上具有两个特殊部位，一个是底物结合位点，一个是催化位点[4]。
业已发现，构建底物结合位点比较容易，而构建催化位点比较困难。
2个位点可以分开设计[5]。
20世纪70年代以来，由于蛋白质结晶学、X 射线衍射技术及光谱技术的发展，人们对酶的结构及其作用机理能在分子水平上作出解释。
动力学方法的发展以及对酶的活性中心、酶抑制剂复合物和催化反应过渡态等结构的描述促进了酶作用机制的研究进展，为人工模拟酶的发展注入了新的活力。
目前，人们利用各种策略发展了多种人工酶模型。
2.1小分子仿酶体系目前，较为理想的小分子仿酶体系有环糊精、环番、过氧化物模拟酶、以及环芳烃和卟啉等大环化合物。
2.1.1 环糊精环糊精(简称CD)是由芽苞杆菌产生的葡萄糖基转移酶作用于淀粉后获得的，是由若干个葡萄糖残基以α-1、4-糖苷键连接而成的环状化合物。
环糊精分子为圆筒状结构，上下开口，上下两端因伯仲羟基的存在而使环糊精分子外部具有亲水性，而空腔内壁由于氢原子对氧原子的覆盖而具有疏水性，故可以包结许多无机、有机分子形成复合物[6]。
由于CD具有以下一些特殊的结构因素，使其成为目前模拟酶研究中最好的模型之一：(1)流水空洞内壁以范德华力和疏水作用与底物分子作用；(2)CD包结物易溶于水；(3)以疏水识别并捕捉特异底物；(4)捕捉的底物处于一定位向[7]。
利用环糊精为酶模型已对多种酶的催化作用进行了模拟。
在转氨酶、水解酶、核糖核酸酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟醛缩合酶等方面都取得了很大的进展。
2.1.2 环番环番是一类含苯的芳香环，以亚甲基和杂原子作为骨架桥的环状分子[8]。
通常，根据环番空腔的大小分为小环番和大环番。
小环番，张力较大，导致环番中的芳环变形，表现出许多有趣的特性，如跨环电子效应和环加成等。
大环番，其中的芳环的平面性，π电子性以及反应活性虽与一般的芳烃区别不大，但大环番的疏水性空腔能够利用疏水作用、氢键、范德华力、静电力等非共价健作用选择性识别、包结客体分子。
根据需要，人们能够设计不同类型的环番、或对环番进行修饰，进一步调节环番的疏水性、亲水性，改变其包结和识别底物的能力[9]。
功能化环番作为人工受体和人工酶的研究，虽然发展较晚，但是环番包结物的稳定性有的已能和酶-底物复合物的稳定性相比较，已成功地对一些酶进行了部分模拟，并表现出较好的催化活性，因此环番仿酶将是值得关注并很有前景的领域。
2.1.3 过氧化物模拟酶过氧化物酶是一种以血红素为辅基，参与生物体内生理代谢的天然酶。
以辣根过氧化物酶(HRP)为代表的过氧化物酶及模拟酶在其结构、化学性质及应用方面的研究报道较多。
对过氧化物模拟酶的研制主要是根据HRP的结构特点，制备能模拟HRP 催化特性的小分子化合物模拟物。
Saito[10,11]等首次以阴离子交换树脂吸附可溶性金属卟啉化合物作为过氧化物模拟酶进行了大量的研究。
慈云祥研究小组[12,13]及沈含熙研究小组[14,15]合成了一批新的金属卟啉络合物模拟HRP的催化作用。
研究表明：金属卟啉模拟酶中心离子的电子结构和氧化态以及其金属卟啉对额外配位体的亲合力决定着酶的活性，但活性一般比HRP要低。
另外配体相同的不同金属元素对模拟酶的活性也有较大的影响。
基于现有的HRP模拟酶与天然酶在催化活性和选择性方面还有一定差距。
从事相关研究的工作第2期 邢锦娟等：人工模拟酶技术的研究与应用 127者[16]认为，今后应进一步开展以下几方面工作：(1)从全酶的角度出发更精确地模拟HRP，注意结合部位柔性与刚性的互补关系；(2)多催化中心与多结合中心模型开发，实现催化中心结合部位的协同；(3)化学修饰MP，提高模拟酶对底物的选择性；(4)研究模拟酶在不同介质中的应用，特别是在有机介质、细胞膜介质等中的应用，以拓展分析样品范围；(5)拓展HRP模拟酶目标分析物质的研究与应用。
HRP模拟酶的研究将会进一步推动生物有机化学和酶学的发展[17]。
2.2大分子仿酶体系目前，研究较多的大分子仿酶体系主要有聚合物酶模型，分子印迹酶模型和胶素酶模型等。
其中，分子印迹酶模型的研究已经取得了很大进展，技术趋于成熟，并广泛地应用于各领域中，其各方面良好的性能是这种技术的发展极具潜力。
自然界中，分子识别在生物体如酶、受体和抗体的生物活性方面发挥着重要作用，这种高选择性来源于与底物相匹配的结合部位的存在。
为获得这样的结合部位，科学家们应用环状小分子或冠状化合物如冠醚、环番、环糊精、环芳环等来模拟生物体系。
那么，这样的类似于抗体和酶的结合部位能否在聚合物中产生呢？如果以一种分子充当模板，其周围用聚合物交联，当模板分子除去后，此聚合物就留下了与此分子相匹配的空穴。
如果构建合适，这种聚合物就像“锁”一样对钥匙具有选择性识别作用，这种技术被称为分子印迹。
早期，科学家对分子印迹进行过各种尝试，但直到20世纪80年代左右，这一技术才真正有所突破。
Wulff研究小组在1972年首次报道成功地制备出分子印迹聚合物[18]。
后经过三十多年的努力，分子印迹技术趋于成熟，并在分离提纯、免疫分析、生物传感器，特别是人工模拟酶方面显示出广泛的应用前景。
