酶工程
细菌细胞直径不足2µm，每时每刻却发生着1500一2000个化学反应，由1000多种酶对这些反应进行催化和调制，生产着3000多种蛋白质，1000多种核酸；而且细菌合成效率惊人，它合成每个肽链只需百分之三秒，而现代最先进的蛋白质自动合成机器只能合成小肽，而且速度也慢，合成每个肽链需要7分钟，两者相差200多倍；它合成RNA和DNA的速度更是远远超过了人工合成；另外细胞中能量转换效率也很高，这一切都有赖于生物催化剂，这就是酶。现已发现的酶约有几千种以上。它们定位于各种细胞的不同细胞器中，催化细胞生长代谢过程中各种不同的化学反应，使这些反应在正常温度等条件下就可顺利进行。
酶是细胞产物，但不一定非要在细胞内发挥作用，在细胞外，即在非细胞条件下也能发挥作用。19世纪，人们已认识到酵母可以使葡萄糖发酵，产生酒精和二氧化碳，但是对于这一过程是如何进行的，当时主要有两种观点，而且一直未能达成一致。1857年，法国著名的细菌学家巴斯德认为酒精发酵需要有完整的细胞结构才能实现；德国化学家李比西则认为酒精发酵要求的只是细胞中的某些物质，而不要求完整的细胞参与。直到1897年，毕西纳不用完整的酵母细胞，而用酵母汁进行酒精发酵获得成功，从而证明生物体内的催化反应也可能在体外进行。
正是基于这点，人们可以利用细胞中的酶能催化体外的生化反应，这就是酶工程得以发现的前提。
我们都用过加酶洗衣粉，同一般的洗衣粉相比，加酶洗衣粉中含有蛋白质和脂肪酶等多种通过微生物生产出来的酶，因此，去除汗渍和油污的能力比较强。我们知道，酶作为一类具有生物催化作用的有机物，是在活细胞内产生的。那么，人们是怎样通过活细胞获得这种酶并且在生产和生活中使用这些酶的呢？这些都是通过酶工程来实现的。
所谓酶工程，就是在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的原料转化成有用物质的技术，而且酶工程是生物工程的核心，没有酶的作用，任何生物工程技术都不能实现。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两个方面组成的。
（一）酶制剂的生产
已知酶的种类大约有几千种，实际已被运用于工业生产的仅10余种，如已能够实现工业化大量生产的酶有淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶等，其中碱性蛋白酶用于加酶洗涤剂，占国际上酶销售额的首位，青霉素固化酶用于医疗，占世界用量第二位。
早期酶制剂主要来源于动植物材料，而今酶的主要来源是微生物。酶制剂的生产包括酶的生产、提取、分离纯化和固定化。
1、酶的生产、提取和分离纯化
（1）酶的生产
酶普遍存在于动物、植物和微生物体内。人们最早是从植物的器官和组织中提取酶的。例如，从胰脏中提取蛋白酶，从麦芽中提取淀粉酶；现在，生产酶制剂所需要的酶大都来自微生物，这是因为同植物和动物相比，微生物具有容易培养、繁殖速度快和便于大规模生产等优点。人们提供必要的条件，利用微生物发酵来生产酶。
（2）酶的提取和纯化
从微生物、动植物细胞中得到含有多种酶的提取液后，为了从提取液中获得所需要的某一种酶，必须将提取液中的其他物质分离，这就是酶的分离纯化。经过分离纯化后的得到的酶，活性不能降低，因此，分离纯化必须在适宜的条件下进行。人们多选择不同种类和浓度的有机溶剂，以沉淀不同的酶蛋白，达到分离纯化酶的目的。
2、酶的固定化
将分离纯化的酶制成酶制剂进行干燥处理，再适量加入相应的稳定剂和填充剂，制成粉状制剂，用它们来催化生化反应。但其结果是酶制剂和产物混在一起，不能得到高纯度的产品；也很难让酶制剂进行重复使用。怎么办呢？科学家们想到了酶的固定化。
先将纯化的酶连接到一定的载体上（使酶固定化），使用时将被固定的酶投放到反应溶液中，催化反应结束后又能将被固定的酶回收。
固定化酶一般是呈膜状、颗粒状或粉状的酶制剂，它在一定的空间范围内使用，产品的纯度高，没有酶的而且酶制剂可反复使用，这种技术是1969年日本首先研制成功，现已方法应用到生产中的。固定化酶同自由酶相比，具有以下优点：其一是稳定性高；其二是酶可反复使用；其三是产物纯度高；其四是生产可连续化和自动化；其五是设备小型化以及可节约能源等。
我们知道，蔗糖几乎全部来源于甘蔗或甜菜，但是甘蔗和甜菜的种植范围都比较有限，因此，蔗糖的产量也就受到了影咱。能不能利用淀粉来生产类似蔗糖的甜味剂呢？科学家通过α-淀粉酶、糖化酶和将葡萄糖异构酶连接到离子交换树脂上，或者包埋在明胶中，制成的固定化葡萄糖异构酶，这种固定化酶可以用于使葡萄糖转化成甜度更高的高果糖浆。一些发达国家高果糖浆的年产量现已达到几百万吨，高果糖浆在许多饮料的制造中已经逐渐替代了蔗糖。
3、固定化细胞
利用胞内酶制作固定化酶时，先要把细胞打碎，才能将里面的酶提取出来，这就增加了工序和成本。人们设想直接固定那些含有所需胞内酶的细胞，并且就用这样的细胞来催化化学反应。20世纪70年代，科学家研制成固定化细胞，并且用于生产。例如，将酵母细胞吸附到多孔塑料的表面上或包埋在琼脂中，制成的固定化酵母菌细胞，可以用于酒类的发酵生产。
（二）酶制剂的应用
1、治疗疾病
胰岛素是治疗糖尿病的常用药品，这种蛋白质是胰脏中胰岛细胞分泌的一种激素，是由两条肽链组成，一条由21个氨基酸组成，称为A链；另一条由30个氨基酸组成，称为B链。胰岛素是治疗糖尿病的。由于糠尿病患者很多，胰岛素的需要量很大，所以许多糖尿病患者使用的曾是猪的胰岛素。但是，猪胰岛素与人胰岛素在化学结构上有一处差别：猪胰岛素B链上最后一个氨基酸是丙氨酸，人胰岛素B链上最后一个氨基酸是苏氨酸。因此，用猪胰岛素治疗人的糖尿病，容易使一些患者产生免疫反应。现在，科学家可利用酶，切下并移去猪胰岛素B链上的那个丙氨酸，然后接上一个苏氨酸。这样，猪的胰岛素就魔术般地变成人的胰岛素了；
尿激酶可以用来活化人体内的溶纤维蛋白酶原，使溶纤维蛋白酶原转化为溶纤维蛋白酶，是治疗脑溢血、心肌梗塞、肺动脉阻塞等疾病引起的血栓所需要的药物，它是能利用培养哺乳动物细胞得到的唯一可以商业化的治疗剂。但由尿或组织培养的产物中提取价格较高，1980年4月，科学家已经通过质粒DNA诱发大肠杆菌生产出尿激酶，为在工业上利用酶工程方法生产酶开辟了道路；
青霉素是人们经常使用的一种抗生素。但是，多年的使用使得不少病原菌对青霉素产生了抗药性，为此，科学家一方面研制新的抗生素以替代青霉素，另一方面设法通过有关的酶制剂来改造青霉素的分子结构，进而研制出新型的青霉素。青霉素的分子是由一个母核和一个侧链组成的。科学家利用青霉素酰化酶，将母核和侧链水解开，然后，利用化学合成的方法，使青毒素的母核与其他的侧链连接，从而研制出氨苄青霉素等新型的青霉素。现在，制药厂已经能够利用固定化青霉素酰化酶反应器，成批地生产用于合成氨苄青霉素等新型青霉素的母核了；
再如，溶菌酶可分解病原菌的细胞壁，具有明显的抗菌和消炎作用；溶纤维蛋白酶具有溶解患者血管内纤维蛋白凝块的作用，可以用来治疗血栓病。
2、产品加工
利用酶制剂生产一些产品，这一过程是在酶反器中进行的，酶反应器是指供酶制剂催化化学反应容器。酶反应器分成多种，如具有固定化酶（或固定化细胞）的反应器叫做柱式酶反应器，柱式酶反应器是将含有底物的液体，以一定的速度连续不断地从一端注入装有固定化酶（或固定化细胞）的容器，在液体流经固定化酶（或固定化细胞）时，容器内就发生催化反应并且生成产物、含有产物的液体则连续不断地从容器的另一端流出。同一般的化工容器一样，需要对酶反应器温度和pH等条件进行严格控制；不同的是，酶反应器必须进行无菌操作。
食品加工业方面。酿酒厂和饮料厂利用果胶酶来澄清果酒和果汁，效果十分明显；又如，葡萄糖氧化酶可以除去密封饮料和罐头中的氧气、从而有效地防止饮料和食品氧化变质；再如，用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉，可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口；例如，支链淀粉酶是分解多糖类支链淀粉的酶，它能把胚芽转变为色泽较好的麦芽糖糖浆。麦芽糖的甜味没有葡萄糖浓，但很适口，且容易发酵、粘度大、溶解度大，用其制作糖果可以防止遇热变色，用于冰激凌可以防止产生砂糖结晶。
日常生活方面。照相业由于采用了酶技术使照相材料发生了很大变革；家庭用的洗衣粉里加了一些酶，它能够分解某些蛋白质等物质，使衣服上的血迹、汗渍等容易洗掉。但是，由于这些酶比较脆弱，在漂白剂一同起作用下很容易被破坏，然而酶工程可以解决这一技术难题。目前，市场上己经出现了能够和漂白剂一同起作用的去污酶洗衣粉。科学家通过对去污酶结构上的两个氨基酸进行修改，提高了这种酶的抵抗力。
化学工业方面酶制剂也得到了广泛应用，在塑料工业与合成纤维工业中，已经可以用酶制剂催化氢化链烯的生产；
其他方面，一些纺织原料也可以利用酶制剂进行加工。例如，天然蚕丝（指家蚕吐出的蚕丝）的外表有一层丝胶，丝胶直接影响天然蚕丝的使用。过去，人们只能在高温条件下用碱性物质脱去天然蚕丝上的丝胶。现在，人们可以在温和的条件下，利用蛋白酶对天然蚕丝进行脱胶，脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。
3、化验诊断和水质监测
根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢，过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧，而氧原子可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物，人们根据这个原理，将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上，制成测试尿糖含量的酶试纸，当它与尿液相遇时，依据尿液中葡萄糖含量由少到多而呈现出浅蓝、浅绿、棕或深棕色，这样糖尿病人就可以方便地为自己化验尿糖的情况了。科学家根据同一原理，还研制出能够化验血糖数值的血糖快速测试仪，具有灵敏度高和速度快等优点。
酚是一类对人体有害的化合物，经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中，科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器，可快速测定出水中质量分数仅有2×10—7的酚。
4、用于生物工程其他分支领域
基因工程离不开内切酶和连接酶；植物体细胞杂交制备原生质体时，需要纤维素酶，人们把它们称为生物工程的工具酶，而这些酶可由酶工程得到。
