生物催化的发展与展望.pdf
近年来，酶学领域发展迅速，新技术不断涌现，酶制剂的应用领域日益拓宽。除食品、洗涤剂、纺织、造纸、石油化工等传统行业外，植物提取物等含纤维原料的制造等新能源领域的发展也不断发展，众多企业在该领域的综合经济效益影响力将进一步提升。本文就生物技术领域的工业酶制剂进行介绍，探讨酶制剂的开发、生产和应用等核心技术，供读者参考。28 生物工业技术 2010.04. 生物催化的发展与展望 苏金焕 朱俊 [上海尚德生物技术有限公司，上海] doi:10.3969/j.issn.1674-0319.2010.04.002 化学工业的发展给人类带来了巨大的变化和好处，但也给人类健康、社会安全和生态环境带来了危害。随着全球环境污染问题的日益严重和能源、资源的急剧减少，公众的环保意识逐渐增强，绿色化学逐渐成为21世纪的主题和国际化学科学研究的前沿。对于整个行业来说，研究绿色化学、推广绿色化学是提高效率、节省资源能源、改善环境、保持可持续发展的战略举措。基于绿色化学的十二个原则，生物催化已经成为国际上最受认可的绿色化学转化技术之一。
生物催化是指利用酶或生物体（全细胞、细胞器、组织等）作为催化剂进行化学转化的过程，又称生物转化。生物催化具有一些化学方法无法比拟的优势：特异性强、独特高效的底物选择性（化学选择性、区域选择性和立体选择性）和最绿色的溶剂）；反应通常在室温、常压下进行，减少了能源的使用和反应的不可控性；减少了保护和脱保护步骤，原子经济性好，可以完成一些化学合成中难以进行的反应。将生物催化应用于大规模工业生产，将大大减少原料的消耗和污染物的排放，不但可以缓解环境问题，而且可以降低成本，产生显著的经济效益。因此，生物催化是绿色化学和绿色化工发展的重要趋势之一。 1 生物催化的发展历史 纵观人类历史，早在远古时期人们就利用生物技术生产食品、酿造啤酒。 但直到19世纪后期，人们才真正利用该技术生产化学品。现代生物催化研究一般认为始于巴斯德时代（1822-1895年）。乳酸可能是第一个有记载的利用生物技术工业化生产的光学纯化学产品，于1880年在美国生产。生物催化在化学领域的应用在20世纪初持续增长，其中许多至今仍在使用。此后，该领域的发展几乎进入停滞期，直到20世纪50年代中期，一些制备甾体的生物催化方法被提出，改变了这种状况。
工业生物转化最重要的里程碑是20世纪50年代利用微生物对细菌化合物进行结构改造。20世纪60年代，有机化学家对利用生物催化进行不对称合成的兴趣日渐浓厚。一些重要生物技术的发展，使得一些传统的化学反应过程逐渐被生物催化反应所取代，生物催化在有机合成中得到越来越广泛的应用，促进了生物催化的复兴。生物催化真正应用于大规模工业生产是从20世纪60年代开始的，到了20世纪70、80年代，生物催化取得了前所未有的进展，每年都有500多篇相关文章发表，也开始进入工业生产领域。参考文献：，1993，105。参考文献。Ridge：，1995。参考文献。Ork：，1967。参考文献：，1980。参考文献。程勇.生物催化反应在工业生产中的应用[J]. 安徽教育学院学报，2001，19（3）：57-63. 作者简介 作者简介 苏金焕，上科生物制药（上海）有限公司生物催化专家，主要从事酶筛选、生物催化方面的研究。
电话：-826E-mail：jhshu@ 朱俊，尚科生物制药（上海）有限公司研发副总裁，主要负责内部产品研发及酶服务。电话：-818E-mail：jzh@ 生物工业技术 2010.04. 几大化学及精细化工生产领域，但应用范围还比较狭窄，在制造规模及成本上还无法与化学制造产品竞争。20世纪末，生物催化重新兴起并迅速发展。进入21世纪，面对自然资源不断枯竭、环境污染日益加重的严峻形势，由传统化学工业转向以生物可再生资源为原料、以生物可再生能源为能源、环境友好、高效的工艺的新一代材料加工模式成为人类社会可持续发展的迫切需要。 特别是近年来随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展，极大地促进了工业生物技术的基础研究和应用研究，为生物催化的兴起提供了不竭的动力。生物催化已成为21世纪化学工业的基本工具。以生物催化为核心的工业生物技术必将成为生物技术革命的第三次浪潮。2、生物催化产业化近况随着人们对生物催化认识的逐渐深入，生物催化的优势越来越明显，越来越多的化学家愿意尝试用生物催化技术代替传统的化学方法。
报告中提到，工业级生物催化剂有134种，其中水解酶（44%）和氧化还原酶（30%）占据工业生物催化应用的主导地位，2008年这一数字增加到150种。美国在《21世纪发展规划》中预测，到2020年，通过生物催化技术，将实现化工行业原材料消耗、水资源消耗、能源消耗减少30%，污染物排放和污染扩散减少30%。近年来，随着大规模DNA测序和重组等技术的突破性发展和基因数据库的指数级增长，通过功能基因组分析进行酶发现已成为一个极其有效的平台。此外，定向进化技术也能使已有的酶快速优化。这些技术的进步大大缩短了理想酶源的发现周期，使生物催化技术在化工、医药、材料、环境等领域得到迅速发展。 本文将重点介绍生物催化在药物及精细化学品生产中的工业应用进展。 2.1生物催化在制药工业中的应用 越来越多的研究表明，治疗药物的外消旋混合物存在不可避免的缺点，不同构型的药物具有不同的疗效，甚至有毒副作用。因此对映体纯药物取代外消旋混合物在制药工业中势在必行。目前生产的药物中大部分含有手性成分，手性化合物及手性药物的合成已成为制药工业的关键技术。因此，具有高对映选择性的反应将更具有工业价值。
酶是完全符合这一要求的催化剂，它在温和的反应条件下就能表现出非常高的对映选择性，而其它方法很难达到95%以上的选择性。由于生物催化反应具有很强的选择性，省去了保护和脱保护步骤，还可以避免使用有毒的有机溶剂和昂贵的毒性催化剂。生物催化正成为发展环境友好、节能高效的制药工业的有力工具。例如，活性成分普瑞巴林（）在第一种采用化学拆分的合成路线中，总收率仅为20%，而且在拆分步骤之前，70%以上的材料已经转化为废物。为了解决这个问题，美国辉瑞公司（）开发了一条以腈水解酶为催化剂，催化合成普瑞巴林中间体的路线。在该路线中，（R）-对映体可以回收利用，不仅提高了原料的利用率，而且使对映体过量率最高可达100%。 参考文献Marrs l, 1999, 参考文献：，2000。参考文献JM. New:，2008，26参考文献杜晨宇，李春，张牧等. 工业生物催化过程的发展与展望[J]. 化工学报，2003，54（4）：456-463。参考文献，2002，837-850。参考文献eta1. Sec-，2006，251 66-70。专题报道生物催化的发展与展望30生物工业技术2010.04。图1 普瑞巴林合成途径()经腈水解酶催化至100%，为(S)-普瑞巴林的合成提供了一条有效的中间体合成途径。
2008年，该公司又在水溶液体系中提出了另一条技术路线，利用脂肪酶完成高度区域选择性和立体选择性的催化反应（转化率48%，光学纯度98%，时空产率高达500-1），再进一步反应生成普瑞巴林（水溶液体系的绿色生物催化工艺取代了经典的化学裂解工艺，每年将减少数千吨原料的投入和数千万加仑有机溶剂的消耗）。（S）-1-[3,5-三氟甲基）苯基]醇是合成NK-1受体拮抗剂的重要中间体，化学合成法产率低，条件苛刻，需使用大量有机溶剂，对环境造成危害。默克公司建立了通过酶促不对称酮还原制备该产品的工艺（他们利用从红平红球菌（）中分离出的醇脱氢酶，将水溶性低的（S）-1-[3,5-三氟甲基）苯基]醇还原，制备出该产品。底物酮，转化率98%，光学纯度99.9%。经过工艺优化后，产品浓度可达/L，时空产率-1，再次充分证实了生物催化工艺规模生产的可行性)是立普妥的有效成分(。目前的工艺合成路线较长，需要两步-78的低温步骤。近期，已报道了几种制备不同他汀类药物中间体的生物催化工艺，其中之一是辉瑞公司利用微生物中的5-磷酸脱氧核糖醛缩合酶(DERA)，催化合成两步醇-醛缩合反应，生成对映体过量98%、非对映体过量97%的中间产物乳醇，最终可转化为他汀类药物。