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課程來源:MIT
     

10.492-2 2004秋季課程:整合化學工程專題I:生物觸媒導論(Integrated Chemical Engineering Topics I: Introduction to Biocatalysis, Fall 2004)

翻譯:胡宏熙
編輯:陳玉侖

 

Structural image of protein strucure from PDB database.
枯草桿菌脂?的結晶構造:最小的a/b水解酵素。PDB ID: 1I6W。 van Pouderoyen, G., T. Eggert, K. E. Jaeger, B. W. Dijkstra:枯草桿菌脂?的結晶構造:最小的alpha/beta摺疊水解酵素。《分子生物學期刊》 309, issue 1 (May 25, 2001): 215-26.(圖片提供:結構生物資訊研究共同實驗室,H.M.Berman, J.Westbrook, Z.Feng, G.Gilliland, T.N.Bhat, H.Weissig, I.N.Shindyalov, P.E.Bourne 蛋白質資料庫,《核酸研究》, 28 pp. 235-242 (2000).)
The Crystal Structure Of Bacillus Subtilis Lipase: A Minimal a/b Hydrolase Enzyme. PDB ID: 1I6W. van Pouderoyen, G., T. Eggert, K. E. Jaeger, B. W. Dijkstra: The crystal structure of Bacillus subtilis lipase: a minimal alpha/beta hydrolase fold enzyme. J. Mol. Biol. 309, issue 1 (May 25, 2001): 215-26. (Image courtesy of the Research Collaboratory for Structural Bioinformatics. Berman, H. M., J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T. N. Bhat, H. Weissig, I. N. Shindyalov, and P. E. Bourne. "The Protein Data Bank." Nucleic Acids Research 28 (2000): 235-242.)

課程重點

本課程包含一系列可下載的課堂講稿

This course includes a selection of downloadable lecture notes.

課程描述

本課程將以程序設計觀點提供生物觸媒領域的簡介。基本的主題包括:為何及何時可能選擇使用生物系統來進行化學轉化、考量使用分離酵素或完整細胞,以及與設計和開發生物轉化程序相關的議題。課程中並將討論生物和工程的問題,以及如何才可能同時達成生物和工程的解決方案。

This course provides a brief introduction to the field of biocatalysis in the context of process design. Fundamental topics include why and when one may choose to use biological systems for chemical conversion, considerations for using free enzymes versus whole cells, and issues related to design and development of bioconversion processes. Biological and engineering problems are discussed as well as how one may arrive at both biological and engineering solutions.

師資

講師:
Kristala L. Jones Prather 教授

上課時數

教師授課:
5週內18節
每節1小時

程度

大學部

 

回應

告訴我們您對本課程或「開放式課程網頁」的建議。

聲明

麻省理工學院開放式課程認可開放式課程計畫(OOPS)的翻譯計畫,開放式課程計畫(OOPS)乃是運用其獨立團隊、獨立資源、獨立流程進行翻譯計畫之團隊。

所有麻省理工學院開放式課程之材料皆以麻省理工學院開放式課程創作共享授權發佈,所有之翻譯資料皆由開放式課程計畫(OOPS)所提供,並由其負翻譯品質之責任。

此 處麻省理工學院開放式課程之資料乃由 開放式課程計畫(OOPS) 譯為正體中文。麻省理工學院開放式課程在此聲明,不論是否遭遇或發現相關議題,麻省理工學院開放式課程、麻省理工學院教師、麻省理工學院校方並不對翻譯正 確度及完整性作保證。上述單位並對翻譯後之資料不作明示或默許對任一特定目的之適合性之保證、非侵權之保證、或永不出錯之保證。麻省理工學院校方、麻省理 工學院開放式課程對翻譯上之不正確不負任何責任。由翻譯所引發任何關於此等資料之不正確或其他瑕疵,皆由開放式課程計畫(OOPS)負全責,而非麻省理工 學院開放式課程之責。

原文聲明

 

 

概述

概述

閱讀資料

本課程將於課堂中分發講義,作為參考資料,包括經審稿後刊登的科學文獻,而不使用教科書。閱讀下列教科書可能對你有所幫助,可作為補充資料:

Fogler, H. Scott. 《化學反應工程原理》。 第三版。Upper Saddle River, 紐澤西: Prentice Hall PTR,1999. 國際標準圖書編號: 0135317088.(編註:繁體中文版,陳郁文, 劉端祺譯,臺北市 : 臺灣東華, 民89)
Blanch, Harvey W.,和 Douglas S. Clark.《生物化學工程學》。 紐約: M. Dekker,1996. 國際標準圖書編號: 0824789490.
Bailey, James E., and David F. Ollis。 《生物化學工程基礎》。 第二版。 紐約: McGraw-Hill,1986. 國際標準圖書編號: 0070032122.

課程要求

本課程要求出席和參與課程討論。課程中將有3項家庭作業和一篇書面報告,報告內容請根據文獻中所記載關於生物觸媒程序設計/發展的例子。

本課程鼓勵學生和同學共同討論課程內容和指定作業;然而,家庭作業的解答和最後的書面報告須個別完成。.

評分

評分表 項目 百分比
家庭作業1 15%
家庭作業2 15%
家庭作業3 15%
設計報告 55%
Overview

This course is intended to provide a brief introduction to the field of biocatalysis in the context of process design. We will cover the "basics," including why/when one may choose to use biological systems for chemical conversion, considerations for using free enzymes versus whole cells, and issues related to design and development of bioconversion processes. We will discuss biological and engineering problems and how one may arrive at both biological and engineering solutions.

Materials

There is no required textbook for this course. Handouts will be distributed in class to use as reference material. We will also use published articles from peer-reviewed scientific literature. You may find the following texts to be useful as additional resources:

Fogler, H. Scott. Elements of Chemical Reaction Engineering. 3rd ed. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall PTR, 1999. ISBN: 0135317088.
Blanch, Harvey W., and Douglas S. Clark. Biochemical Engineering. New York: M. Dekker, 1996. ISBN: 0824789490.
Bailey, James E., and David F. Ollis. Biochemical Engineering Fundamentals. 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1986. ISBN: 0070032122.

Requirements

Attendance in class and class participation are expected for this course. There will be 3 homework assignments and one written report based on examples of biocatalysis process design/development in the literature.

Students are encouraged to work with classmates in discussing the course and the course assignments; however, solutions to homework problems and the final written report are to be completed on an individual basis.

Grading

Grading Table activities percentages
Homework #1 15%
Homework #2 15%
Homework #3 15%
Design Report 55%

 

 

 

Table for Calendar 課 課程單元 重要日期
1 課程概述, 酵素分類
Course Overview, Enzyme Classification
 
2 酵素催化劑:蛋白質化學的回顧、酵素特異性
Enzyme Catalysts: Review of Protein Chemistry, Enzyme Specificity
 
3-4 課程3
Lecture 3

酵素效能的非動力學評估、酵素動力學的回顧
Non-kinetic Evaluation of Enzyme Performance, Review of Enzyme Kinetics

課程4
Lecture 4

酵素動力學 (續.)、 pH和溫度影響、 酵素安定性
Enzyme Kinetics (cont.), pH and Temperature Effects, Enzyme Stability
 
5-6 課程5
Lecture 5

酵素抑制作用和毒性
Enzyme Inhibition and Toxicity

課程6
Lecture 6

酵素抑制作用和毒性(續)
Enzyme Inhibition and Toxicity (cont.)

課程5
Lecture 5
繳交家庭作業1
Homework #1 due


7 何時/為何使用完整細胞催化劑、細胞生長相對於細胞轉化
Whole Cell Catalysts: When/Why, Cell Growth vs. Conversion
 
8 蛋白質效能的控制 (生長/ 非生長關聯、 異化產物抑制)
Control of Protein Expression (Growth/Non-growth Associated, Catabolite Repression)

毒性和抑制作用
Toxicity and Inhibition
 
9-11 課程9 BLecture 9

工程解決方案:酸/鹼的產物、放熱反應、酵素不安定性、平衡反應
Engineering Solutions: Acidic/Basic Products, Exothermic Reactions, Enzyme Instability, Equilibrium Reactions

課程10
Lecture 10

基質溶解性、毒性
Substrate Solubility, Toxicity

課程11
Lecture 11

產物溶解性、毒性
Product Solubility, Toxicity

解析度?的產率改善
Yield Improvement of Resolutions

課程9
Lecture 9
繳交家庭作業2
Homework #2 due










課程11
Lecture 11
分配報告的題目
Design report distributed

12-14 課程12
Lecture 12

生物觸媒程序的程序設計:純化酵素的生物觸媒
Process Design for Biocatalytic Processes: Purified Enzymes

課程13
Lecture 13

程序設計(續):完整細胞
Process Design (cont.): Whole Cells

課程14
Lecture 14

新催化劑的篩選
Screening for New Catalysts
 
15-17 課程15
Lecture 15

改良催化劑的效能 (生物的解決方案):分子生物學的回顧
Improving Catalyst Performance (Biological Solutions): Review of Molecular Biology

課程16
Lecture 16

由完整細胞催化劑進行選殖
Cloning from Whole Cell Catalysts

課程17
Lecture 17

定位突變
Site-directed Mutagenesis

酵素的直接演化
Directed Evolution of Enzymes
課程15
Lecture 15
繳交家庭作業3
Homework #3 due









18 發表設計/發展報告
Presentations of Design/Development Reports
 

 

 

Lecture notes files. 課 課程單元 課堂講稿
1 課程概觀述、酵素分類
Course Overview, Enzyme Classification
(PDF)
2 酵素催化劑:蛋白質化學的回顧、酵素特異性
Enzyme Catalysts: Review of Protein Chemistry, Enzyme Specificity
(PDF)
3-4 課程3
Lecture 3

酵素效能的非動力學評估、酵素動力學的回顧
Non-kinetic Evaluation of Enzyme Performance, Review of Enzyme Kinetics

課程4
Lecture 4

酵素動力學 (續.)、pH和溫度影響、酵素安定性
Enzyme Kinetics (cont.), pH and Temperature Effects, Enzyme Stability
(PDF)
5-6 課程5
Lecture 5

酵素抑制作用和毒性
Enzyme Inhibition and Toxicity

課程6
Lecture 6

酵素抑制作用和毒性(續)
Enzyme Inhibition and Toxicity (cont.)
(PDF 1)

(PDF 2)

(PDF 3)
7 何時/為何使用完整細胞催化劑、細胞生長相對於細胞轉化
Whole Cell Catalysts: When/Why, Cell Growth vs. Conversion
 
8 蛋白質效能的控制 (生長/ 非生長關聯, 異化產物抑制)
Control of Protein Expression (Growth/Non-growth Associated, Catabolite Repression)

毒性和抑制作用
Toxicity and Inhibition
 
9-11 課程9
Lecture 9

工程解決方案:酸/鹼的產物,放熱反應,酵素不安定性, 平衡反應
Engineering Solutions: Acidic/Basic Products, Exothermic Reactions, Enzyme Instability, Equilibrium Reactions

課程10
Lecture 10

基質溶解性, 毒性
Substrate Solubility, Toxicity

課程11
Lecture 11

產物溶解性,毒性
Product Solubility, Toxicity

解析度?的產率改善
Yield Improvement of Resolutions
(PDF)
12-14 課程12
Lecture 12

生物觸媒程序的程序設計: 純化酵素的生物觸媒
Process Design for Biocatalytic Processes: Purified Enzymes

課程13
Lecture 13

程序設計(續):完整細胞
Process Design (cont.): Whole Cells

課程14
Lecture 14

新催化劑的篩選
Screening for New Catalysts
(PDF)
15-17 課程15
Lecture 15

改良催化劑的效能 (生物的解決方案): 分子生物學的回顧
Improving Catalyst Performance (Biological Solutions): Review of Molecular Biology

課程16
Lecture 16

由完整細胞催化劑進行選殖
Cloning from Whole Cell Catalysts

課程17
Lecture 17

定位突變
Site-directed Mutagenesis

酵素的直接演化
Directed Evolution of Enzymes
 
18 發表設計/發展報告
Presentations of Design/Development Reports
 

 

 

 

閱讀
Readings

部分課程有指定閱讀資料包括:
Required readings for some class sessions include:

課程1
Lecture 1

Rozzell, J. D.〈商業化生物觸媒: 神話與事實〉,《生物有機醫藥化學》 7,no.10 (1999 年10月): 2253-61.
Rozzell, J. D. "Commercial Scale Biocatalysis: Myths and Realities." Bioorg Med Chem 7, no. 10 (Oct, 1999): 2253-61.

課程7
Lecture 7

〈昆蟲催化劑. 〉,《經濟學人》, 列印版本。 2003 年3月13日.
"Bugs as Catalysts." The Economist. Print edition. 13 March 2003.

Buckland, B. C., et. al.〈利用微生物轉化Indene成為 Indandiol: 一種CRIXIVAN合成的關鍵中間產物 〉,《 Metab 工程》.1, no. 1 (1999年1月): 63-74.
Buckland, B. C., et. al. "Microbial Conversion of Indene to Indandiol: A Key Intermediate in the Synthesis of CRIXIVAN." Metab Eng 1, no. 1 (Jan, 1999): 63-74.

課程11
Lecture 11

Bornscheuer, U. T., C. Bessler, R. Srinivas, and S. H. Krishna.。〈脂?及相關的酵素的最佳化,以達最有效應用〉,《生物技術趨勢》 . 20, no. 10 (2002 年10月): 433-7.
Bornscheuer, U. T., C. Bessler, R. Srinivas, and S. H. Krishna. "Optimizing Lipases and Related Enzymes for Efficient Application." Trends Biotechnol 20, no. 10 (Oct, 2002): 433-7.

問題組
Problem Sets

本課程包含三個問題組:
There are three problem sets for this course:

問題組1(PDF)
Problem Set 1 (PDF)

問題組2(PDF)
Problem Set 2 (PDF)

問題組3(PDF)
Problem Set 3 (PDF)

 

 

報告撰寫原則(PDF)
Design Report Guidelines

報告將根據一個業界發展及[或] 應用生物觸媒程序的例子。 將指定學生一項生物轉化及提供適當的期刊文獻以獲得此反應的資訊。你必須取得且閱讀參考文獻, 並且撰寫報告回答下列問題:
The report will be based on an example of a biocatalytic process developed and/or implemented commercially in industry. You will be assigned a bioconversion and given the appropriate journal reference(s) to obtain information about that reaction. You are to retrieve and read the reference(s), and write a report that answers the following questions:

產品是什麼
What is the product?
產品的用途/商業相關性是什麼?(例如,藥物的中間體, 特殊化學品, 香精,香料,等)
What is the usefulness/commercial relevance of the product (eg, pharmaceutical intermediate, specialty chemical, fragrance, flavor, etc)?
產品製造所用的生物/化學反應是什麼?
What is the bio/chemical reaction by which the product is made?
什麼樣的酵素/生物被用來做為生物觸媒,且如何選擇?對於純化酵素的程序,則包括酵素的來源種屬。
What enzyme/organism was used as the biocatalyst and how was it selected? For a purified enzyme process, include the source organism for the enzyme.
描繪此程序所使用的流程圖,簡短的描述操作步驟。 所有的圖表應該包括反應階段,指出所有的流程方向。 如果有描述各別的方法, 這方法應該包含在圖表之中
Draw a flow diagram of the process employed, with a brief description of the operating protocol. All diagrams should include the reaction stage, indicating all flow streams. If a description of the isolation methods is given, this should be included in the diagram.
此程序的最終測定濃度 (產物濃度)、產率、鏡像異構物過剩值、選擇性等為何?
What was the final titer (product concentration), yield, enantiomeric excess, selectivity, etc. of the process?
發展這個程序所需面對的特別生物問題是什麼?(例如:狹窄的pH適用範圍,低活性/代謝,蛋白質不安定性等)?
What were the particular biological issues faced in developing the process (eg, narrow pH window, low activity/turnover, protein instability, etc)?
在發展這個程序所需面對的工程問題是什麼?(例如:低基質水溶性,低產物溶解度)?
What were the engineering issues faced in developing the process (eg, low substrate aqueous solubility, low product aqueous solubility)?
在處理這些問題中可應用的工程及/或生物的解決方案是什麼?
What were the engineering and/or biological solutions employed to address these issues?
如果沒有應用生物的解決方案,描述面對的問題如何可能/已經以酵素工程學解決。簡述如何應用此一解決方案。
If there were no biological solutions employed, describe how one problem faced could be/have been solved by enzyme engineering. Provide a brief description of how this solution could be implemented.
報告中文字的總頁數應為5-7 頁, 使用12 字型、兩倍行距 (如本地的泰晤士報),文字四周與頁緣距離為1吋。 流程圖則包含於附加頁數中。 你將需要繳交二份期末報告。
The report should be 5-7 pages of text in total, with 12-pt double-spaced font (similar to Times as given here), and 1 inch margins all around. The flow diagram should encompass an additional page. You will need to submit TWO copies of your final report.

除此之外,你需要準備5頁Power Point投影片,概述個人報告,Power Point副本的電子檔應於第18課堂之前繳交,此外須有兩份Power Point紙本與報告一起繳交。第18週上課時將隨機指定若干位學生上台報告。學生成績評定將包含摘要投影片的品質,口頭報告部分則不計於期末成績之內。 五頁投影片內容應該涵蓋: (1)概述所使用化學藥品和酵素,(2)程序流程圖,(3) 效能詳細說明書 [濃度測定,產率,轉換率, 鏡像異構物過剩值EE, 等等],(4) 生物性的問題和解決方案,(5)工程問題和解決方案。
IN ADDITION, you should prepare 5 PowerPoint slides summarizing your report. An electronic copy should be sent by Session 18, and paper copies should be submitted with your report (two copies). Several students will be selected at random to give a presentation in class on Session 18. ALL students will be graded on the quality of the summary slides; however, the oral presentation will not be taken into account for the final grade. The five slides should cover: (1) summary of the chemistry and enzyme employed, (2) process flow diagram, (3) performance specs [titer, yield, conversion, EE, etc.], (4) biological problems and solutions, (5) engineering problems and solutions.

 

 

對「課程10.492-2:整合化學工程專題I:生物觸媒導論」這門課有興趣的教育家、學生和自學者們,歡迎來和其他應用這個教材學習或教課的人在這個討論群組上互動。

這個服務是由麻省理工學院開放式課程提供,由猶他州立大學教育科技系的「開放持續學習機會研究群」所管理。世界各地的獨立學員可以互相連繫、協同合作、組織學習小組,及就利用麻省理工「開放式課程網頁」教材資源於他們正規或非正規教育學習時得到支援。

「開放式學習支援網」(Open Learning Support, 簡稱OLS)是一個著眼著眼於建立「社群軟體」的研究計劃,讓非正規學習社群利用現存公開的教材而組織起來。OLS基本前提是完整的教育機會必須讓使用者 能夠與能解答其問題或提供支援的其他人建立起溝通管道。贊助者一般只能提供免費開放的網頁教材,但很難提供這樣的社群管道。社群支援必須由其他使用者提 供。因此,OLS是:

在麻省理工「開放式課程網頁」以外獨立運作的。
需要使用者註冊並登入才能參與的。
並不頒授任何學位或文憑的計劃。
不提供與麻省理工或猶他州立大學教職人員直接連繫的管道。

馬上來本課程《10.492-2 整合化學工程專題I:生物觸媒導論》的討論群組看看吧。

「開放式學習支援網」是由The William and Flora Hewlett 基金會贊助提供。


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