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人与自然 系列丛书-第202部分
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生物体为什么有这种本领呢？
原来，生物体内广泛地存在一类特殊的催化剂——酶。它能有效地降低参加化学反应的各个分子的活化能，使生物体能够快速而高效地完成各种化学反应。植物的光合作用，人对食物的消化、吸收等无一不是在酶直接参与下发生和完成的。
近代，对酶的科学研究开始于18世纪。到1878年，德国化学家屈内把这一系列从有机体中分泌出来有催化能力的物质称为“酶”。
1925年，美国奈尔大学独臂青年化学家萨姆纳不顾体残病弱，提纯尿酶，并证明它是蛋白质。接着，美国化学家诺思谱又把一系列酶提纯出来，证明它们都是蛋白质。他俩都获诺贝尔奖。从此，几十年来科学界公认酶的成分是蛋白质。
1982年，美国化学家西卡破天荒地发现非蛋白质酶——核酸，它也可以充当生物催化剂。
西卡的发现首先给生物催化剂中只有蛋白质一家的传统观念当头棒喝，给今后生命的人工合成，提供了一个重要的信息，生物催化剂除蛋白质、核酸外，还可能有其他形形色色的催化剂。尤为重要的是，西卡的发现给生命的起源和演变提供了一个新的线索。人们可以想象，在地球原始海洋中，当形成核酸后，它就可能催化自身变化。由于西卡的发现为生命起源和研究开辟了一条新航道，因而，他获得1983年的诺贝尔奖。至此，为奖励研究酶的组成，已3次颁发诺贝尔奖。
由于酶有惊人的催化能力，它的发现无论在理论上和应用上都有重大的意义。据统计，至今已发现2000多种酶，其中被提纯并结晶的有100多种，作为商品生产的有120多种，应用到工厂中的就有60多种。它们在食品、医药、制革等数十个行业中发挥着巨大的作用。
酶工程的第二阶段是针对第一阶段的缺点而革新的。
酶工程的第三阶段是固定化酶系统和固定化活细胞技术联合生产的过程，称为第三代酶工程。其特点是将活的酵母细胞用长拉胶（从海藻中提取的特殊胶）包扎，制成颗粒状，装入酶反应器，反应器通过糖液就可产生酒精。在反应过程中，酵母仍可生长繁殖，不断地补充反应器中酶的数时，使反应器可连续使用几个月甚至几年。
第三代酶工程已用于生产各种氨基酸、有机酸、核苷酸、抗生素等。它有高效能、低消耗、无公害、长寿命、安全、自动化等特点。目前，已在各先进国家使用。
第四阶段酶工程是将新的生物工程技术全部应用到酶工程上来。例如，用细胞融合术、DNA重组术来改良产酶的菌种，使之能源源不断地生产出适合人类需要的酶来。这项工作还处于试验阶段，目前虽有许多成功的报导，估计还需要一段时间才会有实用价值。
所谓的酶工程，可以分为两大部分：一大部分是如何生产酶，一大部分是如何应用酶。用微生物来生产酶，是酶工程的半壁江山。
酶工程的发展，给人工合成食物开辟了光辉的前景。总有一天，人类将能实现在工厂里生产淀粉、脂肪、蛋白质等食品的愿望。
人工酶的研究
除了酶的生产之外，近些年来，酶工程又出现了一个新的热门课题，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。这是因为，人们发现光从微生物里提取酶仍不能满足日益增长的对酶的需求，需要另辟新路。
人工酶是化学合成的具有与天然酶相似功能的催化物质。它可以是蛋白质，也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的，它要求人们弄清楚：酶是如何进行催化，关键是哪几个部位在起作用，这些关键部位有什么特点。。最终，对人工酶还有另外一层要求，那就是简单、经济。
有人已经合成了一个由34个氨基酸组成的大分子，这个大分子具有跟核糖核酸酶一样的催化作用。然而，人们仍然嫌它太复杂，继续寻找更简单、更稳定、更小的人工酶，寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。
尽管人工酶的效益尚不明显，然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。
也许，在不久的将来，人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地，而且地位不断上升，甚至压倒天然酶。。微生物酶人类认识和利用微生物酶的历史较长，总是揭开一个谜，使生产前进一步，紧跟着又产生一个新的待揭之谜，引导着科学家不断地研究，不断地前进。
酒精虽说是化工产品，但酒精厂里根本不像一般的化工厂，既没有高温高压的化工设备，也没有耐酸耐碱的大型装置，仅有一排排简单的大发酵罐，像是列队欢迎人们来参观，给人一种温和而亲切的感觉。走到发酵罐旁看看温度计，这里的温度只有32°。原来这是温和化工厂，它的“脾气”比一般化工厂温和，因为微生物是制造这些合成与分解反应的“小工艺师”，它们在生命活动过程中可以迅速把各种原料“吞吃”掉，同时“排泄”出我们所需要的各种发酵产品，例如酒精、甘油、柠檬酸、氨基酸、青霉素、链霉素等数千种与人类生活密切相关的产品。
这些“小工艺师”个子十分矮小，小到我们用肉眼看不见。例如一种名叫大肠杆菌的细菌，要1000名成员排起来才有一颗小米粒那么大。它们不能耐高温、高压，更忍受不了强酸碱，但在常温常压酸碱度接近中性或稍酸些稍碱些的环境下，能迅速地繁殖，24小时就可繁殖72代，这个生长繁殖速度是动植物望尘莫及的。虽说微生物的个子很小，可它的精力旺盛，干劲十足，一个微生物一昼夜就能“吞下”并消化掉相当于它自身重量30～40倍的食物。它吃得多，长得快，代谢速度十分惊人。微生物之所以有如此大的食量，是因为它体内有丰富的酶，科学工作者估计微生物体内含有1300多种酶。这些酶，我们可以将它分离提纯用于发酵工业等方面。
最初，人们多从动物脏器及植物种子果实里提取酶，但这些生物内含酶量很少，而且这些生物繁殖饲养受到一定自然条件的限制，因此酶的生产量小，与酶制剂越来越广泛的应用是很不相称的。
人们敲开微生物世界大门后，发现各种动植物体内的一切酶类，几乎也都存在于各种微生物体内，因为微生物的一切生命活动都离不开酶，微生物体外的大分子营养物质如淀粉、蛋白质、脂肪等都必须由胞外酶分解成小分子化合物后，才能被微生物吸收。小分子化合物进入细胞后也要由酶来分解，从而释放能量并获得中间产物。微生物利用这些中间产物和能量，组成它自己的细胞物质，这一系列的生物化学反应都是在酶的催化下进行的。这些微小生物里酶的发现，一下子丰富了酶的来源，每个微生物细胞都是一座生产酶的“小工厂”。这为酶在医药、化工、食品、纺织、造纸、酿造、日化、制革等方面的广泛应用打开了方便之门。
酶工程——活性催化剂的应用
酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质。它们可能特定地促成某个化学反应而它们本身却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染孝能耗低、反应容易控制等特点，这些特点相对于传统的化学反应来说就具有较大的优越性。酶工程就是利用酶催化作用，通过适当的反应器，工业化地生产人类所需的产品或是达到某一特殊的目的，它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。酶工程包括开发和生产有较大应用价值的酶类，对这些酶进行分离纯化鉴定，使酶固定化，研究和设计多酶反应器以及扩大各种酶的应用等几个方面。
微生物为我们提供了种类繁多的酶，这些酶除了要经过分离纯化以及功能鉴定以外，还要经过另一项技术处理，那就是固定化技术处理。因为酶虽然能在常温常压下催化作用，但生物酶定性差，溶液态的酶存在着使用以后无法回收的弱点，因此人们就希望通过化学或物理方法将酶束缚在一定的区域内，就是使酶固定后再进行催化作用。酶经固定后可以反复使用，这就导致了许多生物反应器的出现，这些反应器的出现无非是要提高生产率、降低成本和能耗、减少污染以及使后加工更加容易。
酶工程的应用主要集中于食品业、轻工业以及医药工业中，例如固定化青霉素酰胺酶可连续裂解青霉素生产6—氨基青霉烷酸代替化学合成生产；α—淀粉酶、葡糖淀粉酶和葡糖异构酶达三个酶连续作用于淀粉就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；α—半乳糖苷酶可水解甜菜糖蜜中的棉籽糖而生成半乳糖和蔗糖，大大提高了蔗糖的收率；蛋白酶用于皮革脱毛脱胶以及洗涤剂工业；固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭，甚至可以克服溶液酶在治疗中引起的机体免疫反应等等。我们日常生活中常见的加酶洗衣粉、嫩肉粉，都是酶工程最直接的体现。
基因工程
如果我们能够得到某一种生物的基因，就有可能给一种生物增加一个它原来没有的基因，让这个基因工作，使这种生物产生新的遗传特性，变成一个新的物种。这就是基因工程的基本原理。简单点说，基因工程是在人工控制下，对生物的基因进行改造，使生物产生新的遗传特性的一门现代科学技术。
基因工程的操作过程有三个主要步骤：第一步是获得某种基因；第二步是把这种基因送进细胞里去；第三步是让这种基因发挥作用。下面我们以应用基因工程技术生产人的胰岛素做例子，谈谈这三个步骤是怎样进行的。
胰岛素是人身体里一种很重要的激素。是由胰脏里的一种胰岛细胞制造出来的。胰岛素对于人身体吸收利用糖起着重要作用。人身体里缺乏胰岛素，就会得糖尿玻所以胰岛素是治疗糖尿病的特效药。过去医疗上用的胰岛素，都是从动物的胰脏里提取的，要用很多胰脏才能提取到一点点胰岛素。现在应用基因工程方法，已经可以利用大肠杆菌来生产出胰岛素，这就方便多了。
用基因工程方法来生产胰岛素，首先是要得到胰岛素基因。这一步有三个办法可以用：1。直接从人的胰岛细胞里提取；2。找到从胰岛素基因上面转录下来的那个信使核糖核酸，在一种反转录酶的作用下，反过来复制出一个胰岛素基因；3。人工合成一个胰岛素基因。这个办法现在用得越来越多了。科学家们应用这三个办法不但得到了胰岛素基因，还得到了几十种基因，有人体的基因，也有别的生物的基因。
得到了基因，还要把它送到某一种生物的细胞里去，它才能工作。这是第二步工作。要把基因送进细胞里去，必须有合适的运载工具。这好比要把人造卫星送上运行轨道，需要用运载火箭一样。科学家们把运送基因的工具叫做运载体。运载体必须有两个条件：一是能够和基因相连接；二是生物的细胞能够接受。科学家得到了胰岛素基因以后，把它跟一种叫做质粒的运载体连接在一起。这质粒是从细菌的细胞里找到的一个圆环形状的DNA分子。
就利用这个质粒把胰岛素基因带进大肠杆菌的细胞里去。
在进行这些工作的过程中，要用各种各�
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