〔提要〕生物科学的最新成就同化学、化学工程、工程学以及数学的最新成就相结合，产生了一门崭新的独特的学科——生物工程学。由于它发展很快，在许多领域得到广泛应用，又相继形成它的许多分支学科，如生物工艺学，工程酶学，工程生态学……等。这里的一组文章就是有关生物工程学的一些发展趋势和研究动向的最近情况，读者可以通过阅读这些文章略知一、二。

许多新的科学分支的出现，代表了现代生物学的发展。这些分支即遗传工程学、染色体工程学等等可以合并成生物工程学。本文打算叙述在实际使用酶方面开辟了广阔前景的工程酶学。这一门新兴科学是从有关酶的科学里面产生的。酶——各种生物化学过程的独一无二的生物催化剂，具有两种最重要的特性。它不同于目前所采用的合成催化剂：第一是有非常高的催化效力，第二是有非常好的效力选择性。酶可使催化反应的速度增加10¹⁰~10¹²倍。在这一方面，任何其它催化剂都不能与它相比。

正是酶的这两种特性，早就吸引了研究家们的注意力。数千年来人们利用许多发酵过程来酿酒（酒精发酵）、烤制面包（淀粉糖化）、鞣制皮革（蛋白水解）。今天酶在国民经济中得到了较大规模的应用，它用于食品工业和轻工业的许多部门，用于净化污水，在农业方面用来认非食品中制备饲料，在电影摄影工业方面用来得到不含银的试剂以及用于科研实践中。但是在经济生活中进一步使用酶却存在着严重的障碍，其中最主要的是：取得酶的复杂性与纯酶价格昂贵；贮藏和运输过程中酶的不稳定性；对外界作用的敏感性；由于使酶与试剂及反应产物分离的复杂性而不可能多次使用酶。

由于出现了所谓的固定酶，这些难题才能获得实际解决。固定酶即与某种载体结合而同时又保存了自己催化性能的酶。酶与惰性稳定载体结合，将使酶能在通常会失去活性的条件下增加其保存活性的能力。固定的原则可能不仅适用于酶本身，而且适用于酶的培养基、阻化剂、凝结因子，即适用于参加酶反应的所有组分的总体。

固定酶生物化学的发展，导致产生新的科学领域——工程酶学。它从六十年代中期开始兴起，虽然个别的研究进行得还更早些。世界上许多国家的实验室都在从事于获得、研究和使用固定酶的工作，其中也包括苏联的实验室。

在这一领域内科研工作者面临着什么样的任务呢？首先是积累实验资料、建立有关酶稳定作用的一般理论，这种一般理论允许有目的地收集所需要的衍生酶，并广泛地把它用到实践中去。此外，必须解决工艺问题和经济问题。归根结底，固定酶的使用效率取决于这两个问题。

今天叙述一下大量固定载体及足够数量的酶与载体结合的方法。而在讨论固定酶的实际应用之前，我们将先谈一下这些重要问题。

酶的固定方法

酶的固定方法，可以分为化学方法和物理方法两种。首先，很早以前就出现了物理固定方法（不生成化学键）——吸附。众所周知，蛋白质依靠静电离子、疏水及分散作用而吸附在不同表面上。虽然在吸附之后酶要渐渐从载体上消失，但这种方法简便，所以至今仍广泛运用。

把酶加到凝胶体上时酶本身不会变性，而且酶与载体也不会形成化学键。人们可以容易地获得颗粒状含酶凝胶体，并能容易地用这种凝胶体来填满柱形反应器。这里广泛使用了以聚丙烯酰胺、淀粉、琼脂、甲基丙烯酸、聚乙烯醇为基础的凝胶体。

可将酶装进微胶囊，胶囊膜不允许密封在胶囊里的酶向外漏出。这种物理方法可以使酶预防许多外界影响。当含有有机二元胺的酶水溶液与含有衍生有机酸的有机溶液缩聚时，就生成了微胶囊。当水和有机溶液几乎达到分解状态时就生成了大小为一微米到一百微米的微胶囊，而这种胶囊里藏有酶水溶液。改变组分浓度时，就要同时调整胶囊膜的厚度及其渗蚀度。而胶囊的大小要通过改变强度来调整。但是，既然参加反应的高分子培养基不会渗透到凝胶剂或胶囊里面去，那么采用把酶装进凝胶剂和微胶囊的做法就不是偶然的了。

化学固定法现时依然是最常见的方法。一组蛋白质分子与一组载体分子相互作用，就形成共价键（参加酶和载体相互作用的基就叫反应基）。这时酶与载体之间形成的化学键愈多，则酶的稳定性就愈大。

参与不溶解培养基变化的酶，应该可溶于水（否则酶培养基的相互作用将是困难的）。显然，在这种情况下，为了固定这种酶也必须要有可溶的载体。为了得到这种制剂，人们采用含有一定量活性基团的可溶硬链分子聚合物。酶结合反应本身也是为了使不可溶载体变为可溶性的。

没有载体参加而借助于特殊的化学试剂也能得到稳定酶（可溶的和不可溶的），这种试剂可使一些分子或许多分子彼此相结合。但是，这种方法由于酶的消耗量大而不普遍采用。

固定用载体

在最一般情况下，载体可以分为有机的和无机的两种。有机的又分为天然的和合成的两种· 而无机的则基本上用作为吸附剂。

天然载体：天然载体中最多见的是多糖——衍生纤维素、淀粉糊和琼脂。这种载体本身是惰性的，因此要事先使它们活化。活化是以下述条件为基础的，即所有的多糖都是水媒的，而包含在其中的羟基要允许加进补充的、能提高载体活性的反应基团。人们把衍生的淀粉糊和琼脂也用作为横向结合衍生物粉状噬菌糊精和粉状噬菌葡萄糖。我们借助于含有氨基团的衍生纤维素而得到了第一批固定酶的样品。许多国家在工业上都已能生产这种载体。

还有一种天然载体，它就是含有反应基团的蛋白质。虽然这种载体暂时还很稀有，但已证明在医学上很有发展前途，因为蛋白质载体可在机体中逐渐消失。

合成聚合物：它们广泛用于固定酶。以聚苯乙烯、酚醛聚合物、聚丙烯酸酯为基础的颗粒状树脂，完全适合于酶的离子交换结合。

最受欢迎固定载体是尼龙，其表面容易活化。用尼龙可制成尼龙丝、尼龙薄膜、尼龙管子及其它形状的产品，因而在已经制成的产品，如尼龙导管反应器的表面上得到固定酶是非常理想的。

无机载体：它包括硅凝胶、硬铬鞣革、大孔玻璃等等，主要用于酶的吸附固定。此外，许多无机载体在用反应性化合物初步处理其表面之后才能用来使酶共价结合。

大量载体和固定方法的产生，并不意味着这一领域的主要问题已经解决。载体对酶的催化作用研究得还不够，所得制剂的单位活性及其制造工艺也还远不能满足需要。

固定酶的用途

今天固定酶正成功地应用在科学技术的各个领域。

在食品工业方面，固定酶将帮助改善各种生产过程和减少高价天然酶的消耗，例如用于牛奶变成乳渣，以及澄清酒和液汁等等。借助于固定葡萄糖酶可以得到葡萄糖液。美国把葡萄糖加工制成使用固定酶的同分异构酶类葡萄糖的果糖装置已经发挥作用。工业上需要水解淀粉得到葡萄糖时，可以有效地利用固定糖化酶。用固定纤维素酶可以从非食物纤维素原料中得到葡萄糖和其它食物糖类。

在氨基酸工业生产和把氨基酸分解成外消旋（同分异构体）混合剂的工业生产方面，固定酶也是不可缺少的。氨基酸的酶合成，能够显著改善生产工艺。例如，日本在工业范围内借助固定氨羰（基）丙氨酸酶从反丁烯二酸中得到氨羰（基）丙氨酸。

固定酶在分析化学中也得到应用。例如，使化验溶液通过具有固定酶的反应器，就可从反应器的出口处记录经过酶反应的产物。所谓无试剂分析法，就是以采用酶电极为基础的。

把电极放入被分析混合物中，而固定酶就处在电极的敏感部分。当沿电极层发生酶反应时，酶反应的作用物或产物就具有对酶的亲合力，仪器就记录下电极的电位变化，从而定量测定物质。现在已经设计出带固定葡萄糖氧化酶的电极来测定葡萄糖，带固定尿素酶的电极来测定尿素，带固定氨基酸氧化酶的电极来测定氨基酸，带固定乳酸盐脱氢酶的电极来测定乳酸，带固定青霉素酶的电极来测定青霉素衍生物等等。

在动力学方面，已经开始成功地利用固定酶。尽人皆知，在生物系统中，一种形式的能量能够变成其它形式的能量，例如在光合作用时，光能变成化学能：在氧化磷酸化作用时，氧化能储存有机化合物的氧作为丰富的磷化合能量；在肌肉收缩时，化学能变成机械能。在解决一系列动力学问题时，使用参加变换能量的酶系统可能是有益的。这里可能有两种发展方向：一是为了变换太阳能和利用实现氧化还原反应催化作用的酶，来研究光合作用系统，二是为了在电化学燃料元素（例如甲醇）中加速电子输送的过程来研究光合作用系统。

近年来银的缺乏向电影摄影工业提出了获得无银试剂的任务，这里也只有靠固定酶来帮助。在这个基础上用感光酶系统来摄影。把酶系统——培养基引进感光层中，在光的作用下就产生反应。结果在摄影材料的曝光部分出现酶反应的涂色产物。

我们约略地谈了一下国民经济各部门使用固定酶的情况，下面研究酶在医学上的用途。

固定酶在医学上的应用

许多专家们都预言，像早先医学经过了抗生素和激素药物的时代一样，在不久的将来会出现酶制剂时代。现在已经可以举出一些不可缺少固定酶的保健领域：

通常，在临床生物化学分析方面，所有的方法都以采用特效酶为基础。

在人工肾脏和人工肝脏这两个器官中，借助于固定酶可从血液中排除有害的代谢产物，使它从净化血液的复杂器官中转移到带有固定酶的简单纤维中。

在治疗创伤和烧伤过程中，把固定酶用在裹伤材料和薄皮上来与菌体毒素的聚集作斗争；在治疗过程中以某种形式把酶注射入机体以补偿相应的酶的不足；在外科部分切除胃或食道以及在医治恶性肿瘤时，把酶注射入机体；以取代消化酶。

但是在临床广泛推广普通酶制剂的道路上存在着严重的障碍：酶制剂的生产规模小，且价格昂贵，注射入机体的治疗酶很快钝化，枳体的强大抑制系统和内源蛋白酶可以通过酶制剂，酶制剂的抗原好像人体的异体蛋白质常有非特殊毒性。酶应在机体内有足够的时间保持活性和有效浓度。显然在这种情况下将会减少酶制剂的消耗，并相应减轻机体的免疫反应（这一点与注射异体化合物的数量有直接的联系），以及还要降低非特殊毒性。看来，只有固定酶或者一般地说以任何一种方式组成的稳定酶，才能在克服上述复杂性方面带来成功。

在最一般的情况下，制造治疗用固定酶有两种趋向。

第一种趋向是注射入的酶应长时间地留在机体内，并为机体的各部分所需要，或者应与高分子培养基相互作用而没有严格的限制。在这种情况下能够适当地获得可溶解的酶-载体综合物，其酶的稳定性较大，从机体排出的速度较慢。制造出能在机体内长时间循环的稳定酶的最艰巨的工作，是加拿大Chang领导的科研组进行的，他提议在治疗时使用装在半渗透性微胶囊里的酶。但是Chang深入研究的方法只适用于在机体内对低分子物质起作用的那些酶的固定，例如只适用于尿素酶、过氧化氢酶或者氨羰（基）丙氨酸的固定，但当发生血栓、动脉粥样硬化和许多其它疾病时，高分子培养基（这是最常见的目标）不能通过胶囊壁，因此，他的工作只能部分地解决问题。

第二种趋向是，酶在一定的地方是必需的，例如局部患血栓症、心肌梗塞和患肿瘤等。而在通常静脉注射天然酶时，解决这样的问题是不可能的。固定酶能够在规定的时间内被限制在需要的地方，并不断将其分布到周围介质中，并以规定的速度消失。这时，机体其它部分的酶浓度，将少到可以忽略不计。

近年来治疗血栓症广泛采用溶纤维朊酶——纤维蛋白溶酶、链球菌酶、尿激酶。在通常将制剂注射入静脉的情况下，在患血栓的位置很难保证足够的活性，从而大大降低治疗效果。借助于固定酶我们能直接从血栓表面得到固定酶的必要浓度。在使狗的两条股动脉发生人工血栓症的实验中，我们证实了固定酶的优越性。向一条动脉内注射了固定纤维蛋白溶酶的悬浮液，而另一条动脉则作为对照用。在整个试验过程中我们观察到了在治疗的动脉中完全恢复了血液流动，而在没有治疗的动脉中则一点都没有向好的方向变化。局部注射固定酶的量（使血栓溶解所必需的量）只相当于静脉注射天然酶的一百分之一。

当然，这种方法在治疗在一定位置上长时间需要活性酶的其他疾病方面，也可能会是很有成效的。

治疗用可溶性固定酶

得到可溶于水的固定酶制剂与得到不可溶的固定酶，原则上毫无区别。不过载体本身和固定产物都应该是可溶的。这时载体应该比酶分子有更大的硬度，只有那时它才能对与其结合的蛋白质分子产生稳定影响。在这一方面，特别合适的是可溶淀粉糊以及乙烯基吡咯浣酮或乙烯醇的异分子聚合物，它带有少量有反应能力的单体，这些单体含有氨基、酐基、羧基等等。

我们利用这种载体得到了一种胰岛素制剂，它在机体内起作用的时间要比天然胰岛素长3~4倍。这时，固定作用不仅改善了生物活化化合物制剂，而且也对与药效机制有联系的某些问题作出回答。譬如说，例如可溶于水的载体的分子量和体积，在用了固定胰岛素以后不影响药效到来的速度及药效的大小这一事实，就在一定程度上证明，这种激素为实现自己的药效不需渗透到细胞里面去，否则“尾巴”的加重会改变胰岛素经过细胞膜渗透的速度。

直到最近，医学上基本上仍是使用惰性载体。比较理想的是——发现一种载体，它具有可以使用的生物活性或者能够以某种方式加强酶与载体结合的作用。我们尝试过用天然抗凝剂——肝素作为载体。为了防止血栓症复发，人们通常用肝素来治疗血栓。肝素——酶试验系统的研究表明，肝素的固定既不改变肝素本身的特性，也不改变被研究的酶的特性。然而肝素高分子的高硬度，却导致与肝素结合的固定酶在阻止热钝化方面取得明显的效果。

不使用载体的酶的稳定

许多酶为了实现自己的效力必须进入到细胞里面去。显然，载体分子的存在将使这一过程复杂化。但是，同时必须使酶稳定。在这种情况下怎么办呢？为了稳定蛋白质分子，自然界发明了分子内部的结合，例如二硫化物S-S-的结合。可用人工方法进行这种结合吗？用双功能试剂加工得到稳定酶的尝试早就开始进行了，但用分子内部结合来解释的明显成就暂时还没有。

看来，为使这种变化获得成功，可能结合中心间的距离，应该严格地与双功能试剂的链长相适应，而几乎所有为了稳定而使用这种试剂的一切尝试，都应用野生芋醛——这种商业上最廉价的试剂来加工酶。当然，很难预料这种野生芋醛的链长是否正好是一切酶所需要的那种长度。

我们通过用琥珀酐加工胰凝乳蛋白酶氨基团的方法增加了胰凝乳蛋白酶的酶羧基团数量以后，不仅观察到最大的耐热性向比较短的双功能试剂乙二胺移动，而且观察到稳定效应增加了一个数量级。这就意味着，在有根据的选择了双功能试剂以后用分子内部结合的办法可以使酶稳定。

脂肪体

看来，上述在医学上使用固定酶的例子并没有解决所有可能发生的问题。这仅仅是一个开端。药用酶输送到一定的目标器官中以及药物进入细胞内的问题，都还没有解决。使固定酶加到脂肪体上的做法有着广阔的前景。

近年来已经证明，早已被作为生物膜模型研究的脂肪体——双层或多双层磷酸磷脂泡，符合对稳定药用酶的理想载体所提出的一切要求：它们是完全可以相容的，并且是无毒的，它们的体积和容量在非常宽的范围内变动（直径为一埃至几百埃）。可以容易地把自然界的化合物加到它们上面去：端部的加到脂肪体内的水相上，非端部的加到脂肪体的磷脂膜上。这时，加到脂肪体内的蛋白质，并不引起机体的免疫反应。况且脂肪体很容易被附在细胞膜上，因此它们的内含物就在细胞内。此外，可以用脂肪体定向输送药物到机体中去。

确实，在最初为数不多的尝试中来建立这样的系统，科学家们遇到了两大困难。第一，大量脂肪体很快（在脂肪体进入器官的有限几分钟内）被肝脏吸收。第二，把免疫体加到脂肪体中，实质上减少了免疫体的特性，看来是要依靠脂肪体表面所产生的杀菌效力。怎么样才能使得脂肪体不被肝脏吸收和不在血液流动中长时间的循环呢？怎么样才能使免疫体加到脂肪体中以后而不失去自己的特性，并能有效地起领港员的作用呢？世界上的许多实验室都正在研究解决这些问题。

[Прuроgα，1978年12期56~65页]