蛋白质工程

浅谈蛋白质工程

摘要: 蛋白质工程是用分子生物学手段对蛋白质进行分子改造的技术。本文主要介绍了蛋白质工程的基本原理和研究进展。

关键词：蛋白质；蛋白质工程；定点突变 一、蛋白质的存在及其重要性

蛋白质属于生物有机大分子,可以说它是决定生命存在和运动的最重要的一类物质。从极其复杂的具有多细胞和组织、器官分化的高等动、植物,到简单的单细胞原核生物甚至无细胞的分子生命形式病毒,一切生命体的繁衍、代谢、生存、发展都离不开蛋白质,蛋白质在构成有机体和完成体内精确的生化代谢和机体多样的生理功能中发挥着重要作用。从整个生态系统来看,蛋白质的代谢和利用是维持物种关系和生态平衡的重要部分,因为高等动物需要从动植物获得蛋白质做为必须营养物质,而他们的分解代谢又为植物和微生物生存提供大部分氮源。对于整个自然界来说,蛋白质做为一种主要的有机氮存在方式,它在物质循环中起着重要作用,它的出现和演变对生命的起源和物种的形成、进化无异具有重要的意义。对于人类社会来说,蛋白质作为基本营养成份是人类生存所需的基本物质,人类不断发展也越来越依赖于对蛋白质的合理利用。所以说对蛋白质的研究、开发和利用不论过去、现代和将来都是非常重要的研究课题。

二、蛋白质工程诞生的历史背景和学科基础

蛋白质工程就是通过对蛋白质结构和功能关系的认识,按人类的

需要通过基因工程途径定向地改造和创造蛋白质的理论及实践。它是一门应用多学科知识和技术的综合性的学科,需要有多学科的基础。首先,蛋白质结构分子生物学的研究和深入,特别是对酶等蛋白质空间结构的细节的了解认识,为阐明蛋白质的生物学功能和进一步改造蛋白质奠定了基础。因此可以说蛋白质工程是蛋白质化学和结构分子生物学研究走向深入的产物。其次,20世纪70年代初建立起来的基因工程技术实现了人们利用大肠杆菌以至于其它宿主系统表达蛋白质的愿望,然而传统的基因工程只能直接操作单个或者数个完整的基因,得到的只能是接近天然存在的蛋白质,而往往又达不到天然蛋白质的某些功能,这就要深入到对基因内部的认识和改造,通过特定碱基改变实现蛋白质局部构象的改变以获得特定的功能,基因定点突变在技术上发挥了重要作用。因此可以说蛋白质工程又是核酸研究和蛋白质研究相结合的产物,是基因工程的深入和延伸,它需要基因工程作基础手段, 又不等同于基因工程,相比之下蛋白质工程的盲目性减少了,科学性增加了,工程性加强了,有人也把它称为“第二代基因工程”。第三,20世纪电子计算机的问世,以及机算机技术向生物学领域渗透对蛋白质工程的建立起了决定性的作用。因为蛋白质空间结构分析是一项复杂仔细的工作,有大量数据处理,单靠人脑和手工是远远不能实现的,而要实现特定功能的结构改变也需要把数据转变成图象进行结构预测和分子设计，能胜任这些工作的非计算机莫属,因此蛋白质工程的创立和发展很大程度上取决于计算机技术的应用和发展。总之,正是以上这些学科的高度集成,在20世纪80年代初蛋白质

工程这门新学科应运而生。

三、蛋白质工程的基本原理及研究内容

蛋白质工程所要实现的目标就是根据人类的需要改造天然蛋白质或设计创造自然界没有的新蛋白质。实现蛋白质工程目标有三个环节的工作要做。第一需要用结晶学技术诱生、培养获得蛋白质晶体,而且尽可能得到微晶,利用X射线技术通过晶体衍射仪收集衍射数据,经等密度图转换,对晶体进行测量、分析,确定蛋白质的三维结构。除此之外还可以通过分光光度计、核磁共振、环二色性、电镜等技术获得某些结构信息。第二,需要借助电子计算机对蛋白质进行选择饰变,可通过模拟三维图像进行能量计算和动力学研究,从氨基酸化学结构预见空间结构,也可通过建立数据库、专家系统和人工智能等途径确定蛋白质结构和功能的关系,找到所要修饰的位点。第三, 通过改变编码蛋白质的基因的核苷酸实现蛋白质结构的改变,这首先需对基因序列有所了解,然后通过定点突变技术进行碱基替换,这就需要一整套的基因操作技术。总之通过这三个环节的工作才能对所饰变的蛋白质的结构和功能有一基本认识。由于目标不同起点可能不同,如对已有的蛋白质改造需要从结构测定入手;而创造新的蛋白质,可通过已有的蛋白质结构功能信息资料进行分子设计,通过基因表达后再对表达产物的结构和功能进行检测、分析。要获得一理想的蛋白质工程产品往往需进行多轮的饰变、分析、检测与修改的过程才能实现。

四、蛋白质工程的研究进展和应用前景

80年代初美国Genex公司K.Ulmer第一次提出蛋白质工程概念,

并建立了专门研究实体,制定了相应研究开发计划。其后,以美国为首的几家生物技术公司同时应用蛋白质工程技术得到几种蛋白质结构,标志着蛋白质工程正式诞生。蛋白质工程创立初始即显示了它的巨大应用前景,如英国医学研究协会剑桥分子生物学研究所G.Winter等实现了嗜热脂肪芽孢杆菌氨酰tRNA合成酶活性改变;美国旧金山Genentech公司L.J.Pery 等使T4溶菌酶热稳定性得到改变,对于用T4噬菌体清除乳酪制造中梭状芽抱杆菌污染可发挥重要作用;S.Rosenberg等对α-抗胰蛋白酶改造, 防止其被氧化, 用于防止肺气肿作用将很大;美国Genetech和Genrnecor公司改变枯草杆菌蛋白酶稳定性和抗氧化性, 在洗涤、蚕丝加工业、制革工业中都能派上用场。因此蛋白质工程得到许多国家政府和公司的极大关注,纷纷投入巨大的资金和力量进行研究和开发,近10年来已有一些工业用酶和家用产品进入市场,一些项目得到专利保护,商业竞争趋势异常激烈。在开发产品的同时蛋白质工程基础研究也在不断加强,研究对象由单一蛋白质扩充到糖蛋白、糖、蛋白核酸复合物以及核酶等生物分子和复合体。研究内容从蛋白质饰变延伸到分子设计,构象设计、药物设计等。研究技术手段日新月异,基因资源的积累和计算机应用软件的大量涌现,促成了生物信息研究技术的形成,为加强蛋白质工程的高效、理性和创造性奠定了基础,必将大大加快研究和开发进程。进入90年代以后,对天然蛋白质进行改造的技术越来越成熟,从头设计合成新的蛋白质的途径已取得突破性进展,为蛋白质工程树立了新的里程碑。

蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，是在生物工程领地上崭露出的一片特富魅力的新芽,它的发展前景无量。蛋白质工程不仅可以带动生物工程进一步发展，还可以推动与人类生产、生活关系密切的相关科学的发展，如抗蛋白质变性延缓衰老，遗传病的防治，农牧业遗传育种、航天科技、新型材料学等。

参考文献:[1]廖香萍.生物工程概论（第二版）.科学出版社

[2]鲁子贤.蛋白质化学.科学出版社 ［3］万海清.生命科学概论.化学工业出版社