科学家们能克服酶的脆弱性和利用他们的速度和特异性?菲奥娜情况调查
酶,催化化学反应的蛋白质,成绩斐然:它们不仅提供特异性,很少是通过化学催化,他们做到这一点在室温和在水里。他们在食品加工已成为无处不在,并占领重要的利基在个人和家庭护理产品,特种化学品和能源行业。工业酶市场价值42亿美元(£30亿),2014年预计将以7%的速度增长,从2015年到2020年,生物催化剂开发越来越范围的化学转换,使生物(而非化石燃料为基础的)材料和燃料生产。
酶对能源
生物乙醇和生物柴油已作出重大贡献的能源安全和全球可再生能源的目标。但是他们的生产已经引起了争议,指责成本递增的食品级油和土地利用与粮食生产竞争。酶是发挥关键作用在缓解这种紧张关系。
乙醇与汽油混合(汽油)用于汽车车辆,或用于发电:如果它是可再生来源的减少温室气体排放。目前大多数是通过发酵糖从玉米。α淀粉酶酶发挥关键作用发酵前将植物淀粉转化为葡萄糖。生物乙醇生产是最大的商业应用酶之一。
“没有一个可行的化学路线生产乙醇的玉米淀粉,”弗雷德里克说Mejlby,油脂行业单位主任诺维信在巴塞尔,瑞士。“我们已经有了一个酶的过程对酒精饮料的生产,所以,当生物燃料业务增加,尤其在北美,很容易适应。
研究人员正在努力商业化新酶为生物乙醇开辟新的来源。真菌分解木质纤维素的酶增加可发酵植物原料的比例有可能开辟新的,非食品来源生物乙醇。
生物柴油生产的分解甘油三酯和直接替代石化柴油。最常用的化学过程是一个base-catalysed与酒精生产生物柴油酯交换和甘油,但是12个月前诺维信介绍酶生物柴油生产一种新产品。
我们开发的重点不是反应速度、酶效率,但是鲁棒性,“Mejlby说。目前90%的生物柴油是由大豆和油菜籽等食用油。enzyme-based过程可以使用非常规没有订阅的油,低等级材料从铸造厂,脂从屠宰场甚至含油污泥从下水道系统,”他解释说。
这些低质量来源脂肪酸含量高。的脂肪酸和广泛的污染物为化学合成路线是一个严重的问题,但没有酶的问题,“Mejlby说。诺维信正在与合作伙伴包括Viesel佛罗里达,我们与酶法生产生物柴油的过程。
把化工生产
潜在的生物催化剂在化学工业中尤其令人兴奋。酶催化可以提供立体定向中心重要的药品和农业化学生产,没有产品或浪费。
很难实现这些反应与化学催化——也许很多努力,一个复杂的多步有机合成,可以实现相同的产品,但它不会是商业或生态可行,”马库斯Pompejus说,巴斯夫“白色”的副总裁(或产业)为北美生物技术研究。
生物催化剂也在大规模生产中产生影响。Pompejus指向生产丙烯酰胺作为商品使用一个典型的例子。单体可以使用铜基催化剂或使用一种酶。酶催化途径产生更少,更少的有害的,浪费。用于生产每年几十万吨,”他说。
那么如何决定是否使用化学通过化学催化剂或酶生物催化生产吗?每个人都有优点和缺点,Pompejus说。当我们看一个化学变换我们考虑所有的选项。酶通常工作在有限的温度窗口。如果整个反应过程必须运行在更高的温度下它可能不是实际为一个阶段包括生物催化剂。”但也有优势。“生物催化剂提供化学特异性,”他解释说。他们经常使更多更好的反应条件和环境更好,但他们并不总是提供所需的反应和条件。”
创造新生物催化剂
大挑战是创建新的商业酶自然界中尚未发现相关的化学反应,以及反应条件对大多数细胞有毒。Diversa介绍的方法(现在巴斯夫酶)在圣地亚哥,我们,在1990年代,和发达之后,开始于一个广泛搜索酶在生物多样性进化的环境。
我们真正开始少量的土壤,“Pompejus说。它包含数以百万计的微生物。我们不确定或种植这些微生物;相反,我们隔离他们的DNA, DNA,直接从土壤中。
酶在家里
通过催化化学变化参与烹饪和准备食物,酶增加的速度,降低成本,商业食品生产。脂酶增强风味干酪成熟发展和缩短时间。天冬酰胺酶添加到薯片、饼干和饼干将天冬酰胺转化为天冬氨酸预防丙烯酰胺,疑似致癌物质,形成在高温烘烤。果胶酶酶用于水果加工允许生产获得更多和更清晰的汁,更快。酶还可以增加货架寿命和促进可持续发展减少食物浪费:如果你片自制面包它很快会变得过时,但是如果你买超市面包保持新鲜好几天了。
“面包会变得过时,因为淀粉变化从无定形结晶状态,“Mejlby解释道。如果你烤面包可以逆转这一阶段的一些变化,这就是为什么干面包尝起来更好的如果是烤,但酶添加到面团保持水分,防止相变,并保持面包柔软和湿润。
酶还提供面团加强低剂量比传统成分,并改善执拗。荷兰科学公司DSM估计,使用酶代替传统的面团乳化剂卵磷脂等烘焙的二氧化碳排放量减少80%。
服装生产可以与高能源消耗和环境噩梦有毒废物的创建。时尚完成-褪色的牛仔和丝般光滑棉等尤其严重。生物催化剂可以提供帮助。纤维素酶酶分解的外纤维棉、释放染料分子导致时髦消退,软完成没有洗石或酸。
在洗衣服时,蛋白酶酶添加到洗衣粉分解生物污垢(如食品、血液),和脂肪酶酶分解脂肪。支离破碎的材料容易冲走,甚至较低温度洗涤。挑战(新酶设计和动机)是保持稳定的酶蛋白分解蛋白质设计的洗衣粉。目前许多液体洗涤剂使用硼酸或borate-based抑制剂系统关闭蛋白质水解产品在存储,但更大的监管审查的硼酸和增加消费者关注可持续化学推动洗涤剂制造商寻求替代品。
细菌DNA是纳入筛选生物,通常被设计为使下面的大规模筛选程序。新的指示细菌创造了蛋白质- DNA构建酶最初出现在土壤样本。土壤样本的DNA的财富创造了成千上万的新微生物的一个图书馆。那些创建酶催化反应所需的标识使用机器人大规模筛选系统。
我们快速测试每一个克隆。我们把那些积极和他们找出酶序列的样子。有时候是我们见过的,但经常是一种新的酶,尤其是土壤来自一个极端的环境,”Pompejus说。
下一步,创建最成功的候选人酶的基因可以“被”,允许混合。当重组和投入细菌,下一代可以再次放映。最终产生的酶,这种酶是可以包括部分的氨基酸序列完全不同的环境中,可能会有一段来自深海沉积物,紧随其后的是一个从沙漠和另一个从一个丛林土壤。gene-reassembly过程可以重复一次又一次,推动对酶在理想的条件下工作更加有效率。自然进化的过程是一个加速版本。
引导进化
这个迭代优化的先驱之一弗朗西斯·阿诺德化学工程教授在美国加州理工学院的。她现在使用这种方法来创建酶催化反应中没有的生物世界。
“天然酶不自发地出现,他们进化允许有机体的一部分,利用新的环境或食物来源,占领新市场,”阿诺德说。最近,新的酶进化利用人造化学物质在环境中,允许细菌吃除草剂或杀虫剂,例如。定向进化在实验室我们提供一个新的细分市场,可以说,并鼓励进化酶来催化商业有用的反应。”
阿诺德从酶与已知的活动类似于她希望催化的反应。例如,在细胞色素P450 iron-haem化学催化作用多种多样的氧化反应。金属中心周围的蛋白质结构可以引导一个新的反应进化的许多可能的途径。
当我们提供碳烯氧和氮烯前体而不是我们创造的新途径的可能性。我们直接使用多个轮进化突变和筛选,酶催化生物反应像摘要烯烃或直接碳氢键氨基化。我们已经创造了一系列综合酶具有挑战性的反应在本质上不知道的,”她说。
自然进化的速度是由随机突变的出现,这个过程可以在实验室加速。研究人员已经开发出许多方面引入突变的DNA。在特定网站为例,介绍了变化研究人员认为可能提高酶的活动,或易错PCR用于创建随机错误,允许改进功能的可能性。
新的催化剂开发的阿诺德实验室由子公司被商业化,Provivi,生产医药中间体,农业和特种化学品。“如果你发现一种酶,有一个小目标反应的反应,你可以让它使用定向进化更快。有大量的新化学酶可以今天做但没人要求他们这样做,”阿诺德说。“现在我们问。”
设计酶
了解一种氨基酸序列指导酶的折叠形状,及其作为生物催化剂,是有限的。定向进化绕过这种缺乏知识,推理错误折叠的蛋白质将不活跃,因此选择,但选择的蛋白质将包括大量的材料,催化性能无关。莱斯利·达顿在美国宾夕法尼亚大学的,一直在努力揭示酶的结构关系,设计尽可能最小的蛋白质结构,还能够有效的催化作用。
“我们从一个结构稳定的四个α螺旋蛋白质包的内部可以容纳光——和redox-activated团体如metal-haems和? avins,”达顿说。“尽管它体积小,结构不同的域,可以容纳反应物种,以及这些因素之间的设计允许高效的电子转移。
一个可能的方法是创建的应用程序相对简单的光化学酶,纳入活细胞的基因组,以提供一个自我维持的方式使用阳光水和直接氧化产品电子减少二氧化碳有用的化学品和燃料。
设计在计算机
大卫•贝克华盛顿大学的生物化学家在美国,自底向上方法生物催化剂的设计。“我们开始我们希望催化的反应,并利用计算机模拟搜索并计算过渡态,并设计一个理想的活性部位稳定状态,”他说。
贝克设计反应网站,然后集设计一种蛋白质支架环绕它。第一代算法将搜索已知蛋白质结构发现那些口袋里是正确的大小和形状,使用正确的蛋白质结合。
这工作很好,但我们发现,当我们嵌入新的活性位点的蛋白质结构会改变,往往没有预期的方式设计,”贝克说。我们后退一步,决定我们需要从头构建整个结构。
整个酶极为计算机的计算机设计密集,所以贝克和一群热情的志愿者分享负载。他最初的罗塞塔在家里计划邀请人们捐出闲置的计算机时间。他们知道他们的满足计算机有效占领,但他们没有工作中发挥积极作用。他们的新Foldit计划更多的互动(见化学世界,2013年2月,p44)。manbetx手机客户端3.0
“这是一个团队游戏,”贝克解释说。的玩家可以直接计算的课程;团队竞争为我们设计最好的蛋白质主持人设计活性部位。这是一个欢迎社区。团队总是在寻找新的球员和乐于解释规则。球员已经成为非常复杂的蛋白质文件夹,”他说。
贝克青蒿酸的DNA编码序列的预测正确折叠。序列克隆到细菌和蛋白质表达,然后进行测试,看它是否确实作为一个催化剂。贝克的一个应用程序设计酶是治疗腹腔疾病。腹腔是短肽的反应(5到12个氨基酸)造成的不完整的面筋蛋白质的分解。设计酶有可能工作在肠道这些缩氨酸分解成小的,无害的,碎片。
与应用程序从简单的家用产品通过工业化工生产新的药物,生物催化的潜力是巨大的。我们正在创造一个未来化学工业是由微生物和酶,”阿诺德解释道。使用可持续原材料和良性溶剂,大大减少能源。”
菲奥娜是位于圣地亚哥的科学作家
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