Summary
影响用于生产化学品的酶的效率的因素很多，寻找最佳反应条件需要大量的时间和资源……
综合编译：John Xie
近期，来自巴斯夫（BASF）、奥地利工业生物技术研究中心（acib）和奥地利格拉茨大学的研究人员共同开发了一种全新的计算机辅助模型。据了解，该模型可以提高酶的性能，并使新的生物催化生产工艺更快地从实验室升级到工业生产。
酶是一种蛋白质，在人体和所有其他生物体内发挥多种功能，参与人体几乎所有的新陈代谢过程，如消化食物或形成细胞和组织。在化学工业中，酶也是生产过程中使用的加速化学反应的生物催化剂，化工企业利用酶制造维生素、调味品或化妆品和洗涤剂成分等产品。
然而酶非常敏感，例如若温度过高，酶就会停止正常作用。巴斯夫计算蛋白质工程全球负责人 Stefan Seemayer 博士解释：“酶不再正确折叠，失去了三维结构，这意味着在其活性中心无法进行进一步的催化反应。然而，当温度过低时，酶也无法发挥最佳功能，产生的所需产品量也会减少。”
生物催化剂的活性也会受到反应介质中所含物质的影响，例如溶剂。“我们需要溶剂，这样酶才能从起始原料（例如脂肪）中快速产生大量所需的最终产品。如果没有溶剂，酶就无法充分获取物质并将其转化为其他材料。但是，如果溶剂浓度或温度过高，酶就会失去结构，停止活性。另一方面，如果浓度或温度过低，则会降低产品产量。为了获得尽可能多的所需产物，我们需要找到酶的最佳点，在这个点上，反应温度和溶剂浓度都能产生最高的活性。”
过去，确定温度和溶剂浓度的最佳组合是一个复杂的过程，需要进行多次实验室实验。
现在，巴斯夫、acib 和格拉茨大学的研究人员新开发的回归模型，可以作为传统生化模型的扩展，大大简化确定最佳组合的工作，只需进行一些初步的实验室测试，如确定酶的展开曲线，将获得的数据输入计算机模型后，该模型就能计算出反应温度和溶剂浓度的最佳组合，使酶的性能达到最佳。
研究还发现，新的参数不仅能够反映酶在不同温度下的稳定性，还可以帮助识别最佳反应条件窗口。与传统方法相比，这一新方法能够更准确地预测酶在特定溶剂中的活性变化，从而提高了酶的筛选和优化效率。这使得不同酶之间的比较更加容易，也使得酶性能的优化更加高效和精确。
Stefan Seemayer 解释：“这听起来很简单，但却大大提高了生物催化过程的效率，让我们对酶催化有了新的认识。有了这种新方法，就能更容易地对不同的酶进行比较，并优化酶的性能。“这大大减少了我们为每种新生产工艺寻找最合适条件的工作量。因此，我们可以更快地完成实验室的研发工作，从而更快地开始扩大生产规模。这大大降低了成本和资源消耗，提高了生物催化的可持续性。”
该研究成果发表在《Nature Communications》期刊上，新方法将为未来的生物催化研究和应用提供新的工具和思路。
参考资料：
- Sorgenfrei, F. A., Sloan, J. J., Weissensteiner, F., Zechner, M., Mehner, N. A., Ellinghaus, T. L., ... & Kroutil, W. (2024). Solvent concentration at 50% protein unfolding may reform enzyme stability ranking and process window identification. Nature Communications, 15(1), 5420.
- BASF and the University of Graz develop fundamentally new computer-assisted model to optimize efficiency of biocatalytic production processes - BASF
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