当前位置: 首页 >> 实验室概况 >> 研究方向 >> 正文

生物催化工艺与酶工程

发布时间:2019年04月01日 08:37    点击率:19311

在酶设计改造的基础上,综合使用合成生物学手段和基因编辑技术等,从表达元件筛选、表达宿主改造以及发酵条件优化等方面展开研究,从而建立和完善酶的高效表达平台和规模化制备工艺,实现酶制剂的工业化制备;发展生物催化、绿色制造工艺,应用于生物质的高效转化利用、手性药物的合成,以及食品、造纸、纺织、制革等行业,从而取代或部分取代高污染、高能耗的传统化学工艺;研究酶在环境实时监测、污染物快速检测和精准医疗等方面的应用,并通过与纳米材料合成、生物传感器等技术的集成,开发试纸条和纳米生物传感器等产品,推动生物催化与酶工程在环境、医疗产业中的应用。与此同时,将酶工程与食品安全、生物防治、生态环境、抗生素替代工艺等关系到国计民生的重要研究领域结合起来,开发绿色、持续的生物催化产业。

(1)酶的表达系统

运用现代分子生物学技术,重点研究与开发高效的原核与真核基因表达技术平台,阐明基因表达系统的工作原理和调控机制;利用合成生物学原理在易于进行基因操作的微生物宿主中异源表达整个或部分生物合成途径;同时利用新兴的基因和基因组编辑工具,在宿主基因组的目标位点进行精确的基因插入或删除,实现微生物宿主基因组水平的改造,能够在整个细胞的宏观水平上增强酶蛋白的异源表达。重点解决外源蛋白表达所涉及的理论与技术问题,优化基因表达系统,解决基因表达系统中的高效与节能性,实现工业酶在细菌、真菌和特色植物生物反应器中的高效表达,利用多尺度优化技术实现生物催化剂的规模化制备,为简便、可持续生产工业酶产品提供理论及技术基础。

(2)生物质转化利用的酶工程

运用酶定向进化技术,强化传统蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等食品用酶及植酸酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶、纤维素酶等饲料用酶的性质改造,提升酶制剂的生物质转化利用和在食品、饲料行业的应用效果;利用耐高糖/高温/低 pH 的运动发酵单胞菌和自产纤维素酶且能快速降解木质纤维素的热纤梭菌,实现纤维素资源高效生物转化;利用系统生物学手段分析探寻具有产业化潜能的微生物底盘细胞,通过揭示其对抗逆境饥饿胁迫、细胞自溶、细胞分化等代谢调控机制,挖掘聚谷氨酸、聚羟基烷酸酯等多种生物可降解材料高产的关键效应基因/转录因子及生产调控模型。

(3)手性化合物的生物催化工艺

基于生物催化具有的高对映选择性及区域选择性,反应条件温和,环境友好,避免异构化、消旋和重排发生等特点,通过酶挖掘技术和酶分子改造技术获得高效的酶或酶突变体催化剂用于手性精细化工产品、手性药物及其中间体的合成;其次,通过构建多酶一锅法催化体系以及表达多种酶的生物细胞工厂催化体系,从廉价的底物出发经过多步级联催化合成高附加值的手性化合物产品;通过对过程中的各个反应参数进行优化,提高目标手性化合物的产量,从而开发出高效绿色的生物催化途径来替代传统的不可持续的化学生产工艺。

(4)酶与绿色制造工艺

利用木聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、蛋白酶等替代传统的高温、强碱、强酸过程,用于洗涤、纺织品、造纸和皮革加工等工业行业的清洁生产,节能减排,凸显生物催化在化工行业的绿色理念;利用高效的酶分子改造技术,基于生物酶制剂建立高效的绿色生物催化工艺系统,优化现有精细化工工艺,加速生物催化技术在造纸、纺织等传统污染行业的应用。研究将溶菌酶、赤霉烯酮及其他毒素降解酶、基因编辑酶等应用于食品安全、生物防治、抗生素替代等产业,为亟待解决的食品安全问题提供解决思路。

(5)酶与生物传感器

基于新型酶制剂,开发高效灵敏的生物传感器合成技术,应用于环境实时监测、污染物快速检测等环保化工和精准医疗等行业。利用生物分子识别的高度专一性与光、电化学信号放大作用,设计合成多元复合功能纳米材料,探讨其分析性能并用于构建生物医学分析系统,建立超灵敏、高选择性、廉价实用的疾病小分子、生物大分子的定量检测/阈值判定方法,开发层析试纸条技术、生物成像和光纤/纳极探针等微型化生物纳米传感系统,为生物医学诊断及治疗提供理论依据,也为药物的体外筛选、新药的开发和纳米药物载体、纳米生物传感器的研究提供新技术和新方法,最终将科学发展的成果转化为产业界的实际竞争优势。