“工业酶国家工程实验室”得到国家发改委批准，成为在天津市批准建设的两个国家工程实验室之一，
是以产学研结合为主要方式的研究实体。“工业酶国家工程实验室”由酶筛选与评价技术实验室、酶分子改造实验室、酶表达与制备技术实验室和酶应用技术实验室组成；建立工业化发酵控制技术、低成本分离技术、先进的发酵废液后处理技术研发平台，开展工业酶发现、改造、规模化表达、制剂制备等关键和共性技术研发，制定和完善行业的酶制剂技术标准，加快酶制剂产业的发展，促进其在能源、饲料、食品、环境、医药等工业领域的应用，为节能减排型经济的发展提供重大机遇。
研方向1、新型工业酶的发现、评估与高通量筛选
利用基因组信息进行发掘，选出具有重要应用价值的生物催化剂基因进行研究；建立极端微生物、不可培养微生物和共生微生物的表达库，通过高通量筛选和评估方法，从建立的表达库中筛选新型生物酶；从节能出发，强调常温酶和低温酶的发现，如常温淀粉酶和低温蛋白酶等。发展微量化、超高通量的酶性能评估技术。针对若干重要应用，采用高通量筛选技术、细胞快速自裂解技术、微反应器技术等，根据相关的工业应用属性，针对高温酸性淀粉酶、高温糖化酶、纤维素酶、植酸酶、谷氨酰胺转氨酶、过氧化氢酶、碱性果胶酶、β-内酰胺类抗生素酶促技术中的青霉素酰化酶和 7-ACA合成酶等，建立相关的快速酶性能评估体系，为酶的理性设计和分子改造提供高效的工业性能评估技术平台。
科研方向2、绿色工艺应用性能指导下的酶分子进化。
针对轻工业、有机合成工业过程中高温、碱性以及有机溶剂环境等特点，以大幅度提升医药用酶的活性、底物专一性、溶剂耐受性，生物印染用酶的耐温、耐碱性能，造纸酶的耐碱及抗金属螯合剂，生物脱胶用酶热稳定性、耐碱性能，生物制革用酶抗重金属以及明胶生物制备用酶专一性等工业应用属性提高为主要研究目标，研究工业酶分子优良应用属性分子基础的生物信息计算机模拟、预测和辅助设计技术；优化全基因合成、多位点随机和定向突变、分子重排以及大容量的随机突变库高通量表达筛选等技术，建立和完善合理有效的工业酶分子进化技术体系，获得若干具有优良工业应用性能的酶基因突变体。
科研方向3、基于工业酶结构解析的酶蛋白分子理性设计
研究酶分子结晶及晶体结构解析方法，研究并比较分析影响工业酶性能的基因突变生物学基础；研究酶-底物复合体共结晶结构，解析酶催化反应的活性中心细部特征，比对分析对温度、pH、热稳定性等催化性质有重大影响的氨基酸位点；在此基础上研究序列与特性理论指导下的工业酶蛋白质分子理性设计与
改造策略，大幅度提高酶的比活力、稳定性以及对制药、纺织、造纸、制革、麻类脱胶、有机合成、食品加工等工业环境的适应性，获得更适合绿色工艺应用的高效工业酶。
科研方向4、工业酶的高效表达与规模化制备
以酵母与曲霉体系，着重研究酶表达系统优化策略，研究酶蛋白胞外高效分泌机制，实现医药用酶、印染用酶、造纸用酶、制革用酶、麻类脱胶用酶、有机合成用酶、食品和饲料用酶等重要工业酶分子的高效表达。研究以高细胞密度和高酶活力为目标的工业酶规模化制备工艺，采用多尺度分析、生化反应动力学、计算机模拟等方法，确定酶发酵生产过程的放大方法；开发基于膜处理技术的高效、低耗的工业酶提取新工艺；利用小分子化合物对酶的 表面进行化学修饰保护酶的构象，改善酶抵抗热、酸、碱等性质，提高酶的稳定性。
科研方向5、工业酶复配与绿色生物工艺的开发与应用
着重研究酶蛋白分子修饰技术，大幅度提高酶蛋白在工业环境下的稳定性；研究各类工业酶生物工艺应用特性评价模型，研究最佳生物处理效果的多种工业酶复配及稳定化技术，研究助剂种类和添加量对复
合酶制剂生物加工处理效果的影响。研究工业酶在生物制药、印染、纸浆漂白、制革、麻类脱胶、明胶生
物制备、生物有机合成、食品加工和饲料应用中生物加工工艺，确立生物工艺过程关键控制点与工艺优化策略。研究新型生物加工工艺与传统工艺的匹配性，形成基于新型生物加工的高效绿色工艺。
固定化酶技术及应用分析平台仪器列表
LC/MS液质联用仪
GC/MS气质联用仪
质谱仪
加速溶剂萃取仪
小型喷雾干燥系统
试剂制粒系统
电渗析
阴阳离子交换系统
激光扫描共聚焦显微镜
过滤系统
酶表达与制备技术平台仪器列表 等温滴定量热仪
超灵敏差式扫描量热仪
生物大分子相互作用仪
动态光散射仪
酶动力学快速分析系统
高通量全自动液体处理和分析检测系统
各式发酵罐（2L-200L不等）
冷冻大容量离心机
自动取样系统
总有机碳分析仪
尾气在位在线分析仪
生化分析仪
浊度在位在线分析仪
不锈钢板框多层过滤器
600MHz核磁共振系统
远程控制及数据采集分析
变频式空压机
卧式摇床
叠加式摇床 酶分子改造技术平台仪器列表
紫外可见分光光度计
两维电泳系统
脉冲电泳系统
蛋白双向电泳
蛋白纯化仪
半制备液相色谱仪
制备液相色谱仪
晶体培养机器人
X光衍射仪
自动影像处理系统
工业摇床
高温振荡培养箱
高压均质机
红外加热真空离心浓缩仪
台式空冷实验室型冻干机
超滤系统 产酶菌株高通量筛选平台仪器列表 高速分选式流式细胞仪
全自动克隆挑选系统
全自动核酸分离纯化工作站
自动筛选工作站
微流体DNA自动片段回收仪
实时荧光定量PCR系统
恒温恒湿箱
低温培养箱
全温培养箱
生化培养箱
振荡培养箱
厌氧培养箱
厌氧操作台
高通量振荡培养系统
超净工作台
超速离心机
冷冻高速离心机
荧光分光光度计
超低温冰箱
治疗哮喘药物“沙美特罗”的关键手性中间体的制备
成果概况
（R）-1-（3-羟基甲基-4-羟基苯基）-2-氯乙醇是全球哮喘市场中的“金标准”治疗药物“舒悦泰”中的组分“沙美特罗”的关键手性中间体。2008年全球处方药市场畅销药物15强中“舒悦泰”位列第4位，销售额为77.03亿美元。该关键手性中间体现有的生产工艺是消旋体拆分和金属不对称催化氢化方法，本工艺利用现有的羰基还原酶合成（R）-1-（3-羟基甲基-4-羟基苯基）-2-氯乙醇，有利于降低生产成本和减少环境污染，符合国家发展生物技术产业的战略布局。
主要特点
1、使用生物催化工艺过程，取代手性拆分或不对称催化氢化合成（R）-1-（3-羟基甲基-4-羟基苯基）-2-氯乙醇的方法，有效降低成本，减少环境污染，提高工艺的安全性和产品的质量。2、羰基还原酶的智能化修饰。此方法汇集了均相催化和异相催化的优点，而摒弃均相催化和异相催化的缺点，这样可以进一步提高酶的催化效率，优化分离纯化工艺，大大降低生产成本和废物排放。
技术指标
羰基还原酶的生产规模达到公斤级，其酶活性达到可工业化使用；生物催化合成（（R）-1-（3-羟基甲基-4-羟基苯基）-2-氯乙醇的生产工艺达到公斤级规模，转化率和产率分别不低于99%和90%，产品光学纯度不低于98%。
市场前景
目标产物是全球哮喘“金标准”治疗药物“舒悦泰”中的组分“沙美特罗”的关键手性中间体。“舒悦泰”在 2008年全球处方药中，销售额为77.03亿美元。我国哮喘发病率在0.5%～1%，儿童高达2%～3%，推算我国现有哮喘患者人数4000万左右，市场容量约在50亿元以上。因此，该成果具有巨大的经济效益和社会价值。
投资与效益分析
（R）-1-（3-羟基甲基-4-羟基苯基）-2-氯乙醇4的化学合成中对酮的不对称氢化需要使用贵金属手性催化剂，如：钌，铑，钯，铷等，金属催化剂价格昂贵，如：钯碳催化剂一般8000/公斤，且易脱落和中毒；此外还需要高纯度氢气，危险性大，需要特殊加氢的专用设备。此外，产品分离纯化复杂，排放的废水处理难度大。相应基团还需保护和脱保护，以上这些都无形中增加了化学合成的成本。若采用生物催化技术，目标产物的合成步骤由原来的三步转变为生物催化一步，生物催化剂的来源便利，价格一般不会超过2000/公斤，且可循环使用（循环次数不会比贵金属手性催化剂少）。反应中不用重金属，避免了产物中重金属残留物的存在，为该中间体在以后的药物合成中的应用奠定了基础。产品纯化步骤的简便，排放的废水少且处理难度大大降低，使得其通过生物催化合成而来的成本大大降低，极具市场竞争力。
鉴于全球抗哮喘市场中的“金标准”药物“舒悦泰”在2008年全球处方药市场畅销药物15强中位列第4位，销售额为77.03亿美元。我国哮喘的发病率在0.5%～1%，儿童可高达2%～3%，我国现有哮喘患者人数4000万左右，市场容量约在50亿元以上。2001年SFDA批准氟替卡松/沙美特罗进入我国市场。2002年4月17日，舒悦泰气雾剂获得药品行政保护。目前国内企业已在加紧开发这一品种，力争在2009年10月
行政保护期满后抢先占领市场。到时药物组分沙美特罗（Salmeterol）的关键手性中间前体，将供不应求。由于本项目提供的合成技术的先进性，使得其在市场竞争中站在非常有利的地位，必将对“舒悦泰”的市场销售价格产生较大影响，使得广大哮喘病患者，能够用得起这一“金标准”药物，享受科技发展的成果，提高并改善生存品质，极大地创造无法估量的社会效益。
研究时间与阶段
目前目标产物生物催化合成线路的工艺已基本形成；下一步是羰基还原酶的进一步优化，生物催化反应参数的中试参数基本确定；在1-2年内中试放大实验完成，并有1-3批公斤级中试产品。
（S）-3-异丁基-4-氨基丁酸（普瑞巴林）的制备
成果概况
普瑞巴林用于治疗神经性疼痛，癫痫等与神经有关的疾病，2008年的总销售额超过20亿美元。现有的生产工艺消旋体拆分和金属催化氢化两种方法，本工艺路线利用腈基水解酶催化3-异丁基-1，5-戊二腈的去对称性水解生产（S）-3-异丁基-5-腈基戊酸，再应用于生产（S）-3-异丁基-4-氨基丁酸（普瑞巴林）。这有利于降低生产成本和减少环境污染。
主要特点
关键技术是去对称性水解3-异丁基-1，5-戊二腈的腈基水解酶，以及在该酶催化下从3-异丁基-1，5-戊二腈生产（S）-3-异丁基-5-腈基戊酸的工艺。具有此催化性质的腈基水解酶和其催化下的去对称性水解都未见报道。现有的生产普瑞巴林的工艺过程包括消旋体拆分和金属催化氢化两种方法，拆分方法的最高产率只有50%，催化氢化的立体选择性低，产率低，用到危险的氢气。新工艺避免这些缺点，降低生产成本和减少环境污染。
技术指标
腈基水解酶的生产规模达到公斤级，其酶活性达到10 U/mg以上；生物催化合成（S）-3-异丁基-4-氨基丁酸（普瑞巴林）的生产工艺达到公斤级生产规模，转化率和产率分别达到99%和90%以上，产品纯度达到99%以上及光学纯度达到98%以上。
市场前景
普瑞巴林用于治疗神经性疼痛，癫痫等与神经有关的疾病。2008年的总销售额超过20亿美元，该成果建立一条新型的生物催化技术路线，为高效生产普瑞巴林原料药奠定坚实的技术基础，具有巨大的经济效益。
我国流行病学调查表明，我国目前有九百万癫痫患者，且以27万/年速度在增长。二十岁以下青少年的患病
率是0.5%-0.6%，已成为危害儿童身心成长的重要疾病之一。该成果将造福于神经疾病患者。虽然普瑞巴林具有剂量低、毒副作用少、持续时间长的优点，但因为该药仍然价格昂贵，目前在我国还不适合作为一线用药。该项目的成功将改变这一状态。另外，生物催化技术的采用将有利于环境的保护。因此，该成果也具有很大的社会效益。
投资与效益分析
采用生物催化技术，生物催化剂的来源便利，价格一般不会超过2000/公斤，且可循环使用（循环次数不会比贵金属手性催化剂少）。反应中不用重金属，避免了产物中重金属残留物的存在，为在药物合成中的应用奠定了基础。产品纯化步骤的简便，排放的废水少且处理难度大大降低，使得其通过生物催化合成而来的成本大大降低，极具市场竞争力。
海洋胶原寡肽的酶法转化生产
项目概况
海洋胶原三肽（Marine Collagen Tripeptide, MCT）是胶原的水解产物，其结构可以表示为（Gly-X-Y），是一种在N端带有甘氨酸的高纯度三肽，其分子量约为280Da。其与分子量为2,000～5,000Da的普通胶原肽相比，胶原三肽是皮肤胶原蛋白的基本单位，无需分解直接合成为体内所需的胶原蛋白，迅速补充肌肤、骨组织流失的胶原分子，起到延长其细胞寿命。同时由于三肽具有“神经递质”的作用，还能促进纤维母细胞的合成机能，促进体内细胞胶原的合成等多种功效。本项目通过筛选优良的高产胶原酶的微生物，采用定向进化手段对其进行改造，获得高活力产胶原酶的工程菌，采用粗胶原酶或发酵液对天然胶原蛋白进行定向水解、精制得到胶原三肽。
技术特点
普通胶原肽是通过酸碱水解或蛋白酶水解，经喷雾干燥制备而成，实际上是一种水解不完全的分子量较大的胶原蛋白肽。本项目以纯天然深海鱼加工副产物为原料，第一步利用复合蛋白酶催化体系抽提原料中的胶原蛋白，然后采用自主研发的胶原蛋白酶对抽提蛋白中的甘氨酸N端进行定向酶切，而胶原特有的羟脯氨酸以及可以转化为羟脯氨酸的脯氨酸则可以作为Gly-X-Y中的X和Y，形成了胶原三肽中的极品组合Gly-Hyp-Pro，进一步采用超滤膜、反渗透等分离技术将分子量＜500 Da的短肽分离精制，获得胶原三肽。该产品在大量研究成果的基础上采用了先进酶工程技术，获得分子量更小、更易吸收、功能性更强的第三代海洋胶原肽，产品应用于功能食品、医药与化妆品领域，具有很高附加值。
市场情况
随着人民生活水平的不断提高和对生命健康的日益关注，海洋功能保健食品将成为市场新的趋势。鱼鳞、鱼皮与鱼骨中的粗胶原蛋白约占80%，充分而合理地利用废弃物提取胶原蛋白不仅可推动水产加工业的发展，而且能化废为宝、减少环境污染。该项目是以这些废弃物为原料，利用酶水解法及精细化工技术，开发不仅能提供人体生长发育所需要的营养物质，还具有生理活性的胶原肽，是安全纯天然产品，作为一
种纯天然、无污染的美容保健品配料，胶原三肽将拥有广阔的发展前景。
天津工生所“酶生成新型抗生素莫诺霉素”研究取得突破性进展
随着抗生素的长期使用，细菌的抗药性愈演愈烈，给临床治疗带来了很大的困难，老一代的抗生素在慢慢失去其功效，因此对新一代临床抗生素的研发迫在眉睫。默诺霉素（Moenomycin）是一种磷酸糖脂类抗生素，它能够抑制细菌细胞壁合成通路中糖基转移酶的活性，阻止细菌细胞壁的合成，从而达到抑菌效果。目前，默诺霉素还没有应用到临床，但通过改造它很有可能发展成为新一代的临床抗生素。
默诺霉素合成的第一步反应是由酶蛋白MoeO5催化的，它能够将法尼基焦磷酸（FPP）中的15碳单位转移到3-磷酸甘油酸（3PG）的2位羟基上。
近日，天津工生所郭瑞庭课题组和UIUC大学、台湾中央研究院合作，在MoeO5 的研究方面取得了突破性进展，得到了MoeO5的酶蛋白结构以及与底物、产物的复合体结构。研究发现MoeO5属于最新发现的一类异戊二烯转移酶，采用了 TIM-barrel的构型，能将反式的底物（FPP）转化成顺式的产物（FPG）。MoeO5的晶体结构显示FPP的焦磷酸部分结合到和D41及D71 氨基酸所结合的Mg2+金属离子上，与同家族的其他酶相比，MoeO5的λ3 loop要多4个氨基酸的长度并呈关闭状态， FPP的尾部形成了一个U型弯，这样的结合可能有利于顺式产物的形成，λ3 loop中的His97借助水分子的作用完成了催化过程。 该研究为默诺霉素的研究和改造提供了坚实的基础，研究成果已经被Angewandte Chemie接收，并被评为重点封面文章（Back Cover）。该项目获得工业酶国家工程实验室、973项目（2011CB710800）及天津市专项（10ZCKFSY06000）的支持。
碱性植酸酶
来自芽胞杆菌中的碱性植酸酶可以催化植酸盐成为磷酸化的肌醇和无机磷酸，因此作为动物 饲料添加剂是很有潜力的。芽胞杆菌植酸酶的热稳定性和适中、碱性主要是因为钙离子存在的关系。在本篇研究中，透过1.25埃高解析度之复合体结构说明了枯 草杆菌植酸酶中的植酸盐类似物(肌醇六磷酸)和二价鈣离子之间的交互作用是如何进行。并发现除了底物类似物上的第一个硫酸根之外，剩余的硫酸根都会直接或 间接与活性区上的氨基酸有交互作用。此结构也阐明了与活性区有关的两个鈣离子，而与活性区有关的这两个
鈣离子并未在早期的研究中被报导出来。更重要的，其 中一个鈣离子或许与底物的结合有着决定性的关系。此外，底物类似物的第四个硫酸根其结合强度比其他位置的硫酸根更强。这些结果说明了碱性植酸酶的催化是开 始作用于第四个磷酸根的键结而不是之前所假设的第三或第六个磷酸根。大体来说，透过高解析度芽胞杆菌植酸酶与底物类似物和二价鈣离子的复合体结构对于碱性 植酸酶的催化机制提供了一个新的观点。