酶制剂：始于真菌，高于真菌

麻省理工科技创业,2012年09月27日

在自然界中，生活着各种各样的真菌。由于所处的环境千差万别，真菌需要分泌许多不同的酶，来将环境中的各种高分子化合物降解为可利用的小分子物质，以维持生存。腐生真菌生活在死亡的植物上，可以分泌包括纤维素酶在内的多种酶类，将纤维素降解为可供生长繁殖的单糖。

所以对于那些同样希望把无用的纤维素转变为有用物质的研究人员来说，从腐烂的植物上寻找真菌，是酶制剂研发工作中的重头戏。然而，不同种类的菌株活性不同。诺维信中国研发中心亚洲生物能源高级经理吴桂芳博士对《科技创业》表示，“能否找到合的菌株就看你是否足够幸运。有时候可能找到了五株，其中有一株就很好。但有时候找到一千株，也不一定能找出一个合适的菌株来。”如果研究人员足够幸运，找到了表现好的的菌株，随后就会对它所产生的酶进行筛选，并根据需求进行优化，改变酶的结构，增强其对底物的适应性，以提高降解效率。待其各项性能指标都达到要求后，再将改造后的酶基因转到生产菌株中表达，以实现大量生产。纤维素降解所涉及到的一系列酶，都是这样筛选出来的。

挑选高潜力菌株

人员会在选择性培养基中生长采集到的真菌。在设定好培养基以后，如果一种菌株是他们需要的，就会生长得更好，或发生特别的反应，从而更容易被发现。研究人员将这些菌株分离出来并进行纯化，然后根据其在显微镜下的形态特征来鉴定菌株种类。这就完成了第一步——备选菌株的获得。

备选菌株生产酶的能力存在差异，研究人员需要从中寻找潜力较高的品种。具体方法是：将需要降解的底物（比如纤维素）添加到琼脂平板培养基中，使培养基变得浑浊。然后再在培养基上挖一个孔，将备选菌株移到孔中。

培养一段时间后，菌株分泌的酶就会降解附近的底物，使得周围的培养基逐渐变得透明。在相同的培养时间下，透明圈的半径越大，就说明菌株所产生的酶效力越高，或者分泌酶的量越多。以此，研究人员就可以把有高产潜力的菌株挑选出来，这完成了第二步。

锁定最好的酶

接下来，研究人员会对那些有潜力的菌株进行分子层面上的研究。同一株真菌所产生的纤维素降解酶可能有很多种，每种酶都可以完成纤维素的降解，但活力和具体反应过程不同。通过蛋白质纯化手段，研究人员将不同种类的酶一个一个地分离出来，并测量每种酶的功能和活性，然后锁定性能最好的那个酶，分析其氨基酸序列和基因序列，从而把这个酶对应的基因找出来。这就完成了第三步——找到最合适的酶。

酶的蛋白质改造

酶的活性与环境条件密切相关。通过改变蛋白质的氨基酸组成，就能修改蛋白的三维结构。研究人员可以改变酶的特性，比如把最适酸碱度PH7 减到PH6，或是最适宜反应温度从50℃变成70℃。如果温度特性、酸碱度特性都达到要求了，但是酶的用量很大，这说明它对底物的效率不高，研究人员就需要分析蛋白质的序列，看看哪些位点是和分解底物最相关的，然后进行针对性的修改。这样一来，原来需要5 个酶分子才能进行的反应，现在可能只需要2个就能完成了，这就是酶的蛋白质改造过程。

调配复合酶的最佳配比

改造之后的酶距离工业化生产只有一步之遥了——研究人员用基因工程手段将酶的基因转入到表达蛋白能力出色的生物工程菌株中去，让后者负责产酶。

纤维素酶制剂是复合酶，顾名思义，它由多种酶构成。在降解纤维素的过程中，这些酶的分工不同。吴桂芳博士表示，“有的酶负责把纤维素由长链切为短链，有的酶负责从纤维素分子的一端切下来一个二糖分子，然而纤维二糖分子还不能直接用来发酵，这就需要另一种酶将纤维二糖切成两个葡萄糖，研究人员需要弄清不同酶之间的最佳配比，使它们发挥最佳效应。”

至于木质素，目前还无法被转化为乙醇生产所需物质，会在发酵后以残渣的形式留在发酵液里面。但是木质素的热值很高，可用于生产中需要加热的环节，通过燃烧将热值释放出来，支持乙醇的生产。

酶的再利用

理论上来讲，作为催化剂，酶在化学反应前后的质量不发生改变，但是诺维信并没有将其回收利用。吴桂芳博士解释道，“有人做研究如何将酶固定在固体表面，然后将其从反应液中分离出来，放到下一批生产中去用。在我们看来，与其通过这种途径来降低酶的成本，还不如将精力用于寻找更有效的新酶。因为将酶回收之后还面临一个问题，这些用过的酶活性如何？保留了百分之多少？这些很难确定。此外，由于酶是蛋白质，可以作为酵母的营养源，如果将它和水解之后生成的糖一起输送到发酵塔里去，可促进酵母的生长，提高发酵效率。”