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導讀:
在生物工程界,有一位魔術師,叫酶工程。它的魔力體現(xiàn)在凡是有生命的地方就有魔術師在那里活動,無論是花草樹木還是鳥獸魚蟲,無論是高等的還是低等的,動植物都需要酶來維持生命。人類更是須臾不可離酶,新陳代謝過程的各種階段,都需"望'酶'止渴"。
加酶洗衣粉洗衣粉、*等是酶工程在日常生活中應用的實例,而對于整個酶工程來說,這僅是酶工程大海之滄海之一粟,只是簡單的應用而已,2018諾貝爾化學獎因達爾文進化論的活學活用蛋白酶,一石又驚起千層浪,讓人們再次認清"廬山真面目",意識到生物工程界魔術師的重要作用。
酶 工 程
2018諾貝爾化學獎
北京時間10月3日,2018年諾貝爾化學獎新鮮出爐,其中諾貝爾化學獎一半頒給弗朗西斯·阿諾德(Frances H Arnold),獎勵她實現(xiàn)了酶的定向轉(zhuǎn)化,諾貝爾化學獎另一半頒給喬治·史密斯(George P Smith)和格雷戈里·溫特爾(Gregory P Winter),獎勵他們實現(xiàn)了多肽和抗體的噬菌體呈現(xiàn)技術"用進化的力量解決化學問題是2018年諾貝爾化學獎成果。
酶定義
酶(enzyme)是由活細胞產(chǎn)生的、對其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA。酶也具有一級、二級、三級,乃至四級結構。按其分子組成的不同,可分為單純酶和結合酶,僅含有蛋白質(zhì)的稱為單純酶,結合酶則由酶蛋白和輔助因子組成。
蛋白酶是水解蛋白質(zhì)肽鏈的一類酶的總稱。按其降解多肽的方式分成內(nèi)肽酶和端肽酶兩類,別名:枯草溶菌素;解朊酶;舒替蘭酶;得自地衣芽孢桿菌。
酶號稱是生物工程界的魔術師,生命在它的指揮下,協(xié)調(diào)地演奏起一章章如詩如畫的生命交響曲來,世界因此而生機勃勃、色彩斑斕。
酶的特點
1926年,美國科學家薩姆納從刀豆種子中提取出脲酶的結晶, 并通過實驗證明: 脲酶是一種蛋白質(zhì),弄清了酶就是蛋白質(zhì),為此他獲得1946年諾貝爾化學獎金。從此,人們才逐步認清"廬山真面目",才意識到酶的重要作用,現(xiàn)代微生物酶技術才真正起步。到現(xiàn)在為止,人類已經(jīng)完確定其成分和功能的酶有3000 多種。
酶的性
酶的催化能力要比化學催化劑高出107~1013 倍。就拿纖維素的分解來說,用5%的硫酸,在4~5 個大氣壓、100 多攝氏度的條件下,四五個小時只能使纖維稍稍松動。而一旦纖維素酶出場,而且只是那么一點點纖維素酶,在常壓、40 攝氏度的條件下,四五個小時可以使50%的纖維素分解成葡萄糖,這幾乎就是牛胃里發(fā)生的反應,只不過容器換了一下。
酶的專一性
所謂專一,是指一種酶只能作用于具有一定結構的物質(zhì)。形象一點的說法就是"一把鑰匙開一把鎖"、"一個蘿卜填一個坑"。纖維素酶只能把纖維素分解成葡萄糖,碰到蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪之類,它是無動于衷的。同樣,那鷹胃里的*,只對蛋白質(zhì)"情有獨鐘",對纖維和其他有機物分子就毫無辦法了。鷹胃里除了主力軍*之外,還有*、纖維素酶、脂肪酶等許多酶;牛胃里除了主力軍纖維素酶之外,也還有*、*、脂肪酶等許多酶。這些酶分工明確,各司其職,專找特定的對象"開刀"。
蛋白酶的定向進化
弗朗西斯·阿諾德(Frances H Arnold)在1993年完成了酶的定向演化實驗,實現(xiàn)了她的理論。經(jīng)過多年發(fā)展,弗朗西斯·阿諾德(Frances H Arnold)的實驗室生成的酶已經(jīng)能夠催化那些自然界中都不存在的化學反應,從而制造出全新材料。她的這些"量身定制"酶如今已是包括藥物在內(nèi)許多材料制作的重要工具,它在生產(chǎn)過程中能避免產(chǎn)生許多污染環(huán)境的副產(chǎn)物,蛋白酶定向進化背后的機制如下:
第1步:向細菌的基因引入隨機的變異。
第2步:變異后的基因產(chǎn)生各種不同蛋白酶。
第3步:篩選出所有好用的蛋白酶,比如生物燃料和藥物,丟棄不好用的蛋白酶。
第4步:回到步,讓好用的蛋白酶基因產(chǎn)生進一步變異,并反復循環(huán)。
自然界的進化過程就是通過這樣的方式對生物進行自然選擇,以便讓擁有形狀的個體能夠更好地壯大族群,這樣的自然選擇過程往往長達數(shù)萬年,然而,定向進化所代表的蛋白質(zhì)人工篩選技術,為人類在微觀層面上操作蛋白質(zhì)等大型分子提供了有利武器,由于目的性明確,可能在很少的代數(shù)內(nèi)產(chǎn)生*的性狀改變,更容易產(chǎn)生人們需要的蛋白酶,大大推進了蛋白酶實際運用的研究進程。感謝三位科學家,感謝它們讓人類駕馭生物工程界的魔術師成為可能。(生物谷)