生物酶的生产过程是怎样的？

1.酶的生产

酵素可从微生物、动物和植物中产生，但主要来源是微生物。由于微生物比动植物有更多的优势，一般都会选择优良的产酶菌株，通过发酵来生产酵素。为了提高发酵液中的酶浓度，需要选择优良菌株，开发基因工程菌，优化发酵条件。工业生产需要特殊性能的新型酶，如耐高温的α-淀粉酶、耐碱的蛋白酶和脂肪酶等。因此，我们需要研究和开发生产特殊性能新酶的菌种。

2.酶制剂

酶的分离纯化技术是当前生物技术 "后处理工艺 "的核心。利用各种分离纯化技术，从微生物细胞及其发酵液，或动植物细胞及其培养液中分离纯化酶，制成不同纯度的高活性酶制剂，为了使酶制剂更广泛地应用于国民经济的各个方面，必须提高酶制剂的活性、纯度和收率，需要研究新的分离纯化技术。

3.酶和细胞固定化

酶和细胞固定化研究是酶工程的中心任务。为了提高酶的稳定性，重复使用酶制剂，扩大酶制剂的应用范围，采用多种固定化方法对酶进行固定化，制备出固定化酶，如固定化葡萄糖异构酶、固定化氨基甲酰酶等，对固定化酶进行测定，并对固定化酶的应用进行多方面的开发研究。固定化酶仍然具有强大的生命力。它受到生物化学、化学工程、微生物学、高分子和医学等各个领域的高度重视。

固定化细胞是在固定化酶的基础上发展起来的。各种固定化方法可用于固定微生物细胞、动物细胞和植物细胞，制成各种固定化生物细胞。研究固定化细胞的酶学特性，特别是动力学特性，以及固定化细胞在各种应用中的研究和开发，是当今酶工程领域的一个热门话题。

固定化技术是酶技术现代化的重要里程碑，是克服天然酶在工业应用中的缺点，充分发挥酶反应特性的突破性技术。可以说，没有固定化技术的发展，就没有现代酶技术的发展。

4.酶的分子修饰

又称酶分子改造。为了提高酶的稳定性、降低抗原性、延长药用菌在体内的半衰期，采用各种改性方法对酶分子结构进行修饰，以创造出天然酶所不具备的某些优良特性（如较高的稳定性、无抗原性、抗蛋白酶水解等），甚至创造出新的酶活性，扩大酶的应用范围，从而提高酶的应用价值，取得更大的经济效益和社会效益。

酶的分子修饰可以从两个方面进行：

(1) 利用蛋白质工程技术对酶分子结构基因进行改造，期望获得一级结构和空间结构合理、特性优良、活性高的新酶（突变酶）。

(2) 对酶蛋白的一级结构进行化学或酶学修饰，或对酶分子进行化学修饰，对侧链基团进行化学修饰。以改变酶的特性。这些酶对酶学基础研究和医学特别有用。

用于生产酵素的微生物有丝状真菌、酵母菌和细菌三大类，主要是好氧菌。下文列出了几种主要工业酶的菌种和用途：

淀粉酶

淀粉酶水解淀粉，产生糊状麦芽低聚糖和麦芽糖。生产主要采用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）进行深层发酵，后者能产生耐热酶。曲霉和根霉菌株的深层和半固态发酵也用于食品加工 [6] 。淀粉酶主要用于制糖、纺织品退浆、发酵原料处理和食品加工。葡萄糖淀粉酶可将淀粉水解为葡萄糖，目前几乎全部由黑曲霉深层发酵产生，可用于制糖、酒精生产和发酵原料处理。

蛋白酶

使用菌种和生产品种最多。用地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌进行深层发酵生产细菌蛋白酶；用链霉菌、曲霉菌进行深层发酵生产中性蛋白酶和曲霉酸性蛋白酶，用于皮革脱毛、毛皮软化、制药、食品工业；用毛霉菌属的一些菌种在半固态发酵生产凝乳酶，在奶酪制造中代替从原小牛胃中提取的凝乳酶。

葡萄糖异构酶

70 年代迅速发展起来的一个物种。链霉菌细胞先经深层发酵获得葡萄糖溶液，固定化后转化为含果糖约 50% 的糖浆，可代替蔗糖用于食品工业。用淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶等将玉米淀粉制成糖浆已成为新兴的制糖工业之一。

表达系统的选择
1 大肠杆菌表达系统
首选 pET 表达系统
蛋白质重组表达和纯化可使用溶解标签，首选 MBP。
首选 pET24 或 pET28（如需纯化）与 BL21(DE3)，TB 培养基 37° 生长至 1-1.5 OD，18℃ 生长 1 小时至 3 OD，0.5 mM IPTG 诱导 19 小时至 OD 达 10。
高表达和低溶解度的挽救措施：降温至 15 ℃；将培养基改为 2xYT 或 ZYP5052（自诱导），更换表达宿主；截短 N 端和/或 C 端 2-10 个氨基酸残基；与 MBP 等高溶解度蛋白融合表达；化学诱导分子伴侣，共表 达分子伴侣/相互作用蛋白，或提供配体。
⑤ 大肠杆菌表达系统的优缺点
优点：最方便、最有效
缺点：分泌表达能力弱；难以形成二硫键；无翻译后修饰

2 酵母菌表达系统（Picrosporum）
优点：稳定整合外源基因；酒精氧化酶基因启动子强，表达可受甲醇严格调控；重组蛋白可以胞内或胞外形式表达；含有真核表达系统常见的翻译后修饰功能；有商品化宿主/载体，操作简便；易于扩增，发酵密度极高。
缺点：独特的翻译后加工形式；过度糖基化问题。

3 首先选择文献报道的表达系统，其次选择大肠杆菌系统，如果在大肠杆菌中表达不活跃，则采用酵母系统。根据基因来源确定表达系统，基因加亲和性标签便于纯化。

酶修改
合理设计：根据蛋白质结构和功能信息对编码基因的变化和重组表达进行检验。
步骤：首先从 BRENDA 数据库中获取酶的结构，然后用 Alphafold2 对酶的结构进行修改和预测，再用 PyMOL 软件对酶和配体分子进行对接分析，最后根据新的酶结构，对基因序列进行定向突变，重组表达得到新的酶（以提高酶的热稳定性、催化效率和底物特异性）。
② 设计不合理：编码序列的高频突变或重组以及重组表达和高通量测试

Ab initio 设计过程：1. 力场开发和采样算法 2. 高通量测试 3. 结构鉴定

蛋白质的定向进化
选择原始基因
建立多样性基因突变库
将多个突变基因连接到载体中，并分别在相应菌株中表达
通过筛选选择优质突变基因，然后大量表达突变基因。

突变基因文库的生成方法
体内高频随机突变：使用大肠杆菌 XL1-Red 作为基因复制宿主（DNA 损伤修复系统缺陷）
培养到高原阶段，平均 2Kb 会发生 1 个碱基突变。
随机突变试剂盒：突变率为 0.1 -1.6% /PCR，相当于 1-16 个碱基突变/基因
逐点饱和诱变

自然进化：自发突变、重组、自然选择
农业进化：自发突变、育种、筛选
实验室进化：加速突变率、分子育种、筛选

DNA 洗牌
蛋白质工程实验策略
选择起始基因，建立灭活系统和/或筛选方法。
如果知道结构与功能的关系，应首先采用合理的设计方法。
随机突变微调和高通量筛选
只有在没有合适的起始基因时，才从头开始设计。

蛋白质研究技术
1 与蛋白质分离和纯化有关的物理和化学特性
分子大小（透析、超滤、凝胶过滤、离心分离）
分子形状（梯度离心、电泳）
(iii) 带电特性（电泳、离子交换色谱法）
(iv) 溶解特性（盐析、有机溶剂沉淀）
⑤ 与配体特异性结合的差异（免疫亲和层析、生物亲和层析、金属螯合物亲和层析）
(vi) 吸附特性（疏水色谱法）
(vii) 变性和变性（尿素的变性和变性）

2 蛋白质表达系统
细菌表达系统：周期短、效率高、成本低，但无翻译后修饰。主要用于生产原核蛋白质、简单的真核蛋白质。
选择表达载体：pet 系列、pGEX 系列、PQE30......
选择表达菌株：BL21(DE3), Rosetta, M15......
诱导条件：IPTG 浓度、温度和持续时间
纯化：Ni-NTA（His 标记）、Strep-beads、GST.....

酵母表达系统：周期短、效率高、成本低，存在翻译后修饰。会有不恰当的糖基化、高甘露糖修饰。主要用于生产细胞内/分泌蛋白、二硫键蛋白、糖基化蛋白。

(iii) 噬菌体表达系统：基因容量大，蛋白可溶，适合生产毒性蛋白，翻译后修饰与 哺乳动物相似。培养条件苛刻，缺乏一些糖基化修饰。主要用于生产膜蛋白、大尺寸蛋白、病毒疫苗、信号蛋白、细胞因子、激酶。
杆状病毒基因组具有巨大的外源基因插入能力，可插入长达 38 kb 的基因。
杆状病毒在昆虫细胞中产生，不会在哺乳动物细胞中复制。
优点：杆状病毒可以有效地转导哺乳动物细胞系，包括原代细胞和干细胞。
安全（不会在哺乳动物细胞中复制），没有可观察到的细胞病理效应
冷冻储存的预转化细胞也可用作试验准备细胞
可移植性（用于分析药理相关的细胞类型）
测试开发速度快（无需花费时间生成稳定的细胞系）

哺乳动物表达系统：周期长、效率低、存在翻译后修饰、蛋白质生物活性高。主要用于生产复杂的真核蛋白质、需要精确 PTM 的蛋白质。
蛋白质的瞬时表达：PEI 或脂质体转染试剂
稳定的细胞系开发：Flp-In™ Jump-In™ 细胞工程平台
可诱导表达：四环素调控表达
病毒传递介导的表达：用于功能分析的慢病毒表达系统；用于生产蛋白质的腺病毒表达系统

3 蛋白质纯化
为什么需要纯化蛋白质？
确定相关蛋白质的结构和功能。
(ii) 研究蛋白质调控和蛋白质相互作用
产生抗体
纯化方法
基于物理/化学特性
蛋白质大小：透析、超滤、凝胶过滤色谱法
蛋白质电荷：离子交换色谱法
蛋白质疏水性：疏水相互作用色谱法

基于生物特性：亲和色谱法

透析
影响因素：透析管截留分子量；缓冲液容量；透析时间；透析缓冲液更换频率

超滤
离心过滤，蛋白质的尺寸小于过滤管的孔径，就会被离心到管底。

③ 凝胶过滤色谱法
分离不同大小的蛋白质

离子交换色谱法
阳离子交换柱：凝胶带负电，蛋白质带正电
阴离子交换柱：凝胶带正电，蛋白质带负电
中型
惰性支持物：琼脂糖、葡聚糖
带电基团：羧甲基：带负电，二乙氨基：带正电
平衡离子：带负电的基团：H+ 或 Na+ 带正电的基团：OH- 或 Cl-
通过增加盐浓度或改变 pH 值来逐步或梯度洗脱蛋白质。

⑤ 亲和色谱法
亲和层析是一种基于生物分子与另一种物质之间高度特异的大分子结合相互作用，从混合物中分离生物分子的方法。
例如：抗原与抗体结合、酶与配体结合、谷胱甘肽和 GST 融合蛋白结合、抗生物素蛋白与生物素结合分子结合以及金属离子与聚组氨酸融合蛋白结合。

使用与聚(His)结合的金属离子（Ni 2+；Co 2+；Cu 2+）的固定金属螯合物色谱法（IMAC） ₆ 标记的蛋白质。

纯化 St 标记蛋白质
珠子可以特异性地吸附带有链球菌标签的蛋白质，然后用生物素将蛋白质从珠子上洗脱下来。(原理类似于 GST 拉取实验）

蛋白A/蛋白G亲和色谱法
基因工程蛋白 A 和蛋白 G 能与哺乳动物 IgG 的 Fc 区特异性结合。将蛋白 A 和蛋白 G 与色谱柱材料结合后，IgG 及其亚类和片段就能通过亲和层析法纯化。
蛋白 A：分子量为 42kDa，由 spa 基因编码，具有 5 个同型免疫球蛋白结合结构域，每个结构域由 3 个α螺旋组成。
蛋白 G：分子量为 65 kDa，由 spg 基因编码，能与抗体的 Fc 和 Fab 片段以及血清中的白蛋白结合。基因工程蛋白 G 去掉了白蛋白的结合位点，只保留了 Fc 结合域，其作用比蛋白 A 更强。
蛋白 A/蛋白 G：是一种基因工程结合蛋白。它由 4 个蛋白 A 和 2 个蛋白 G 免疫球蛋白结合域组成，比单独的蛋白 A 或蛋白 G 结合范围更广，并将两者的优势合二为一，可用于纯化几乎所有物种的 IgG。

如何鉴定纯化的蛋白质？
SDS-PAGE；HPLC；质谱；Western 印迹；结合测定；功能测定；结构阐释。

4 电子显微镜
单颗粒冷冻电镜（Single-ParticleAnalysis，SPA）
冷冻电子断层显微镜（cryo-ET）

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