Anwendung der Enzym-Engineering-Technologie in der Biopharmazie
Die Enzymtechnik ist eine Wissenschaft, die Enzyme, enzymhaltige Organellen oder Zellen (Mikroorganismen, Tiere, Pflanzen) in bestimmten Reaktionsapparaten einsetzt, die biokatalytische Funktion von Enzymen nutzt und die entsprechenden Rohstoffe mit Hilfe technischer Mittel in nützliche Substanzen umwandelt und im gesellschaftlichen Leben einsetzt. Sie umfasst die Zubereitung von Enzympräparaten, die Härtung von Enzymen, die Modifizierung und Umwandlung von Enzymen und den Enzymreaktor. Seine Anwendung konzentriert sich hauptsächlich auf die pharmazeutische Industrie, die Lebensmittelindustrie und die Leichtindustrie.
1. Technologie der Enzymimmobilisierung und ihre Anwendung
Durch die Einbettung des Enzyms in das Gel, Mikrokapseln, oder durch kovalente Bindungen, ionische Bindungen Adsorption mit dem Festphasenträger verbunden, oder durch das Vernetzungsmittel, um die Enzymmoleküle Vernetzung einander und andere Methoden, um das Enzym unlöslich in einem begrenzten Raum des technischen Prozesses eingeschlossen. Diese Technik ermöglicht es, das Enzym wiederholt in Batch-Reaktionen oder kontinuierlich in sequenziellen Reaktionen zu verwenden oder das Enzym leicht vom Produkt zu trennen. Zu den Immobilisierungsmethoden gehören grundlegende Verfahren wie Adsorption, kovalente Bindung, Einbettung, Mikroverkapselung und Vernetzung sowie neuartige Immobilisierungstechniken wie vernetzte Enzymkristalle, vernetzte Enzymaggregate, Einbettung in eine Siliziumdioxidmatrix und Lipideinbettung [1]. Die Einbettungsmethode wird im pharmazeutischen Bereich am häufigsten verwendet, gefolgt von der Adsorptionsmethode. Eine Vielzahl von immobilisierten Enzymen wurde für die industrielle Produktion in großem Maßstab verwendet, wie z.B. Aminoacylase, Penicillin-Acylase, Aspartoacylase, Aspartat-β-Decarboxylase.
2. chemische Veränderung von Enzymen
Die chemische Veränderung des Enzyms bezieht sich auf die Hauptkette des Enzymproteinmoleküls durch "Schneiden", "Scheren" und seine chemische Veränderung.
Die chemische Modifikation bezieht sich auf den Prozess des "Schneidens" und "Scherens" der Hauptkette des Enzymproteinmoleküls und seine chemische Modifikation, d. h. einen technischen Prozess, bei dem bestimmte chemische Substanzen oder Gruppen mit dem Enzymmolekül auf chemischem Wege kombiniert werden, um die katalytischen Eigenschaften und Funktionen des Enzyms zu verändern. Durch die chemische Modifizierung des Enzyms kann die Aktivität des Enzyms verbessert, die Stabilität des Enzyms erhöht, die Antigenität des Enzyms beseitigt oder verringert werden usw.
3. Katalyse von Enzymen in nichtwässriger Phase und gerichtete Entwicklung von Enzymen
Der technische Prozess der enzymkatalytischen Reaktion in nichtwässrigem Medium (organisches Lösungsmittel, Gasmedium, überkritisches flüssiges Medium, ionische Flüssigkeit usw.) wird als Enzymkatalyse in nichtwässriger Phase bezeichnet [5]. Die Enzymkatalyse in nichtwässrigen Medien zeichnet sich dadurch aus, dass sie die Löslichkeit unpolarer Substrate oder Produkte erhöht, synthetische Reaktionen durchführt, die in wässriger Lösung nicht durchgeführt werden können, die Rückkopplungshemmung der Produkte auf das Enzym verringert und die Substratselektivität, Gruppenselektivität, Regioselektivität und Enantioselektivität asymmetrischer Reaktionen chiraler Verbindungen verbessert. Die gerichtete Evolution der Enzymtechnologie [5] ist eine Simulation des natürlichen Evolutionsprozesses (natürliche Zufallsmutation und natürliche Selektion usw.), der künstlichen Zufallsmutation von Genen in vitro, der Einrichtung von Mutantengenbibliotheken, durch die besondere Umgebung der künstlich kontrollierten Bedingungen, der gerichteten Selektion, um das Enzym mit hervorragenden katalytischen Eigenschaften des mutierten technologischen Prozesses zu erhalten.
4. Herstellung und Anwendung von Enzympräparaten
4.1 Herstellung von Enzymen
4.1.1 Nuklease- und Antikörperenzyme
Ribonukleinsäureenzyme sind eine Klasse von Ribonukleinsäure (RNA), die aus Enzymen mit einem hohen Maß an Nukleinsäuresequenzspezifität besteht, die von der
und hat einen hohen Anwendungswert. Solange man die Nukleotidsequenz eines bestimmten Nukleinsäureenzyms kennt, kann man die Nukleinsäurezusammensetzung, die seine Selbstspaltung und seinen Bruch katalysiert, entwerfen und synthetisieren, und auf der Grundlage der gesamten Sequenz dieser Genome kann man die Vorbeugung und Behandlung von . Nukleotide für menschliche, tierische und pflanzliche Viruserkrankungen, die durch diese Viren verursacht werden, wie die Fähigkeit zur Bekämpfung von Influenza, Hepatitis, AIDS und Tabakmosaikkrankheit, entwerfen und synthetisieren. Nukleasen können auch als Werkzeuge zur Untersuchung der Nukleinsäurekartierung und der Genexpression eingesetzt werden [4]. Antikörperenzyme, auch katalytische Antikörper genannt, sind eine Klasse von Antikörpermolekülen mit biokatalytischen Funktionen, die durch Induktions- und Modifikationsverfahren gewonnen werden können. Antikörperenzyme wurden für die Untersuchung des Wirkmechanismus von Enzymen, die Synthese und den Abbau chiraler Arzneimittel, die Herstellung von Krebsmedikamenten usw. verwendet.
4.1.2 Enzym-markierte Arzneimittel
In jüngster Zeit ist es möglich geworden, Arzneimittel auf der Grundlage ihrer möglichen Wirkungsziele im Organismus (z. B. Enzyme oder Rezeptoren) zu entwerfen, und die daraus resultierenden Arzneimittel werden als enzymmarkierte Arzneimittel bezeichnet. Dieser Ansatz ist heute als Mainstream des Arzneimitteldesigns bekannt und spielt eine große Rolle bei der Entwicklung neuer Arzneimittel. Angiotensin-Peptid-Converting-Enzym (ACE)-Hemmer sind ein erfolgreiches Beispiel für enzymmarkierte Arzneimittel, und ACE-Hemmer sind zu wichtigen und häufig verwendeten blutdrucksenkenden Medikamenten geworden. Jüngste Studien haben ergeben, dass die HIV-Infektion und -Übertragung hauptsächlich durch Proteasen auf der Oberfläche von HIV-Partikeln verursacht wird. Daher ist die Erforschung der HIV-Protease zu einem Hotspot geworden, und man hofft, dass die Erforschung von HIV-Proteaseinhibitoren zur Suche nach Möglichkeiten zur Verhinderung einer HIV-Infektion und zur Behandlung von AIDS führen wird.
4.2 Anwendung der Enzymtechnologie in pharmazeutischen Prozessen
Enzym-Engineering-Technologie in der Produktion von kleinen Investitionen, Prozess Einfachheit, geringer Energieverbrauch, hohe Produktausbeute, hohe Effizienz, hohe Effizienz und geringe Verschmutzung und andere Vorteile, die wichtigste Kraft in der Anwendung der chemischen und pharmazeutischen Industrie geworden. Während in der Vergangenheit die chemische Synthese, die mikrobielle Fermentation und die Extraktion von biologischem Material und andere traditionelle Technologien zur Herstellung von Arzneimitteln eingesetzt wurden, können diese nun durch moderne Enzymtechnologie hergestellt werden. Sogar teure Medikamente, die mit traditionellen Technologien nicht zu gewinnen sind, wie Humaninsulin, 6-APA und 7-ADCA, können gewonnen werden. Immobilisierte gentechnisch veränderte Bakterien, gentechnisch veränderte Zellen und die geschickte Kombination von Immobilisierungstechnologie und kontinuierlichem Bioreaktor werden zu grundlegenden Veränderungen in der gesamten Fermentationsindustrie und der chemischen Syntheseindustrie führen.
4.2.1 Anwendung von Enzym-Engineering zur Herstellung biologischer Metaboliten
Durch den Einsatz immobilisierter Zellen kann eine Vielzahl von Primärmetaboliten oder Zwischenprodukten in großen Mengen produziert werden, wie z. B. Zucker, organische Säuren und Aminosäuren. Die Produkte sind D-Fructose, Glycerin, 1,6-Diphosphat-Fructose, Zitronensäure, Apfelsäure, Alanin, Asparaginsäure, Phenylalanin, Tryptophan, Lysin und so weiter.
4.2.2 Anwendung der Enzymtechnik zur Herstellung von Antibiotika und Vitaminen
Anwendung von Enzym-Engineering kann Cephalosporin Ⅳ (Cephalosporin Acylase), 7-ADCA (Penicillin V Acylase), Deacetyl Cephalosporin (Cephalosporin Acetat Lyase) vorzubereiten. In den letzten Jahren auch immobilisierte Produktion von Penicillium flavum (Penicillin-Synthetase-System) Zellproduktion von Penicillin Forschung, die Synthese von Penicillin und Cephalosporin Vorläufer des neuesten Prozesses ist auch in der Enzym-Engineering verwendet.
4.2.3 Anwendung der Enzymtechnik zur Herstellung von Aminosäuren und organischen Säuren
Herstellung von DL-Aminosäuren (Amino-Acylase), L-Lysin (Diaminoheptansäure-Dehydroxylase oder α-Amino-ε-Caprolactam-Hydrolase und Racemisierungsenzym), Harnsäure (L-Histidin-Aminolyse-Enzym), L-Tyrosin und L-Dopa (β-Tyrosinase) und anderen organischen Säuren.
4.2.4 Anwendung von Enzym-Engineering zur Herstellung von Nukleotid-Medikamenten
Adenin-Nukleotide (AMP) werden von der proteinproduzierenden Pseudomonas aeruginosa aus Nukleinsäure mit heißem Wasser extrahiert und dann durch Nuklease hydrolysiert. Desoxyribonukleotide werden durch Extraktion von Desoxyribonukleinsäure (RNA) aus Fischweiß und anschließende enzymatische Hydrolyse durch 5′-Phosphodiesterase hergestellt. Bei bestehenden nukleinsäurereichen Pflanzen und Tieren (Pollen usw.) wird Ribonukleinsäure (RNA) extrahiert und anschließend durch 5′-Phosphodiesterase-Enzymverdauung zu Phosphorylglykosid (AMP), Phosphorylcytidin (CMP), Phosphoryluridin (UMP) und Phosphoryluridin (GMP) verdaut, um ein Gemisch von Nukleotiden herzustellen. Inosinsäure wurde durch Acylosiddeaminase hergestellt, ATP und AMP wurden durch Carbamoylphosphatkinase, Kinase und Acetatkinase gebildet.
5.Ausblick auf die Enzymtechnologie für Pharmazeutika
Als wichtiger Teil des Bioengineering ist die Enzymtechnik weltweit für ihre wichtige Rolle und ihre bedeutenden Forschungsergebnisse anerkannt worden. Das Hauptziel der Anwendungsforschung im Bereich der Enzymtechnik besteht darin, die katalytische Funktion des Enzyms voll zur Geltung zu bringen, den Anwendungsbereich des Enzyms zu erweitern und die Anwendungseffizienz zu verbessern. Das Thema der Entwicklung der Enzymtechnik im 21. Jahrhundert lautet: Erforschung und Entwicklung neuer Enzyme, optimale Produktion von Enzymen und hocheffiziente Anwendung von Enzymen. Zusätzlich zu den allgemein verwendeten Technologien sollten wir auch die neuesten Erkenntnisse der Genetik und Proteomik, der DNA-Umlagerung und der zellulären, Phagen-Oberflächen-Display-Technologie für die Forschung und Entwicklung neuer Enzyme nutzen; die beeindruckendsten neuen Enzyme sind Nukleinsäure-Enzyme, Antikörper-Enzyme und Telomerase usw. Immobilisierung, molekulare Modifikation und Katalyse in nichtwässriger Phase sollen die effiziente Anwendung von Enzymen ermöglichen, und die Aushärtungstechnologie soll in großem Umfang auf Biochips, Biosensoren, Bioreaktoren, klinische Diagnostik, Arzneimitteldesign, Affinitätschromatographie sowie die Untersuchung von Proteinstruktur und -funktion angewandt werden, so dass die Enzymtechnologie eine größere Rolle im Bereich der Pharmazie spielen kann.
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