[01091492]酶的发掘、定制及其生物催化应用关键技术

该项目属于轻工生物技术领域，列入国家重大科技计划。在绿色制造和节能减排降耗重大需求背景下，酶与生物催化已成为许多国家科技创新与战略部署的重点。酶制剂市场约为60亿美元，但直接撬动着数万亿美元的产业，其应用范围涵盖轻工、化工到医药领域等多个行业。中国是用酶大国，却是产酶小国，中国的新酶发掘和酶分子改造技术长期落后，导致自主知识产权的酶种匮乏，酶制剂产业一直受到国外公司垄断。同时，中国生物催化应用领域缺少理论与技术创新，导致酶催化成本过高，难以实现对传统化学催化技术的有效替代。该项目针对这一现状开展了酶的发掘、定制及其生物催化应用技术攻关，取得如下创新成果： (1)酶的快速、高效发掘技术创新。基于对酶-底物识别关键motif序列特征、影响酶稳定性及底物/产物耐受性关键loop区及蛋白表面、二聚体界面氨基酸残基类型构成规律的揭示，结合宏基因组技术对特定环境不可培养微生物的深度发掘，从海量酶资源数据库中获得2000多种新酶基因并全部实现了高效表达，涵盖水解酶、转移酶和氧化还原酶等三大类酶，建立了具有自主知识产权的庞大酶库，已为60多家企业提供了自主酶源和菌种，被20多家企业签定为候选酶库。改变了中国酶品种长期受限的局面，并在国际上实现了部分酶品种和性能的超越。 (2)酶分子定制技术创新。基于对酶结构和功能关系的揭示与认知，提出了重塑酶活性口袋的多点突变虚拟改造策略，实现了酶对非天然底物活性从无到有、从弱到强的人工定制；创建了以氨基酸残基RMSF波动为关键变量的酶稳定性及耐受性的普适性改造技术。成功在多个酶分子个体上实现了酶活力、稳定性及选择性等性能的量身定制及多目标协同进化，大幅提高了酶的工业适应性及应用价值，从技术创新到产业化生产指标均达到国际领先水平。 (3)生物催化关键技术的集成创新。通过对酶催化动力学机制的系统研究，创新底物流加、固定化及产物原位移除技术，显著提升了生物催化过程的浓度阈值，使多种生物催化过程产物浓度及催化效率达到国际领先水平，真正推动了实验室成果的产业化落地。 该项目开发的若干酶制剂由于成本低廉且性能优良，因而打破了国际酶制剂公司的垄断局面，支撑了中国酶制剂民族企业发展，为中国生物催化工业提供了物质和技术保障。酶及其生物催化技术已在全球最大的柠檬酸生产企业潍坊英轩实业有限公司、青岛啤酒股份有限公司、上海翰鸿化工科技股份有限公司、宁夏夏盛实业集团有限公司、南京百斯杰生物工程有限公司、枣庄杰诺生物酶有限公司及白银赛诺生物科技有限公司等得到广泛推广应用，部分酶品种已大量出口海外。该项目对国产原料利用的影响间接促进了中国脱贫攻坚和乡村振兴，增加了劳动力就业和农民收入，对解决“三农”问题做出了重要贡献。 该项目获得发明专利6项，计算机软件著作权2项，发表学术论20篇。该项目具有显著的经济效益和社会效益。据所统计的七个企业，近三年新增产值累计88.30亿元，利润8.70亿元，税收10.25亿元，创汇3.77亿美元，节约资金1.70亿元。