蛋白质工程研究进展

蛋白质工程研究进展
蛋白质工程研究进展

蛋白质工程研究进展
蛋白质工程的研究进展及前景展望
1 蛋白质工程的由来和目标
蛋白质工程是在基因工程冲击下应运而生的.基因工程的研究与开发是以遗传基因,即脱氧核糖核酸为内容的.这种生物大分子的研究与开发诱发了另一个生物大分子蛋白质的研究与开发.这就是蛋白质工程的由来.它是以蛋白质的结构及其功能为基础,通过基因修饰和基因合成对现存蛋白质加以改造,组建成新型蛋白质的现代生物技术.这种新型蛋白质必须是更符合人类的需要.因此,有学者称,蛋白质工程是第二代基因工程.其基本实施目标是运用基因工程的DNA重组技术,将克隆后的基因编码加以改造,或者人工组装成新的基因,再将上述基因通过载体引入挑选的宿主系统内进行表达,从而产生符合人类设计需要的“突变型”蛋白质分子.这种蛋白质分子只有表达了人类需要的性状,才算是实现了蛋白质工程的目标.
2 蛋白质工程原理和基本操作
2．1 分子设计
由于基因工程的发展,人们已经可以运用基因重组等理论和方法去设计并制造出预想的各种性能的蛋白质.这种改变蛋白质的操作可以在蛋白质水平上,也可以在基因水平上.如基因水平的改变,是在功能基因开发的基础上,对编码蛋白质的基因进行改造,小到可改变一个核苷酸,大到可以加入或消除某一结构的编码序列.蛋白质水平的改变则主要是对制造出的蛋白质进行加工、修饰,如磷酸化、糖基化等.蛋白质的化学修饰条件剧烈,无专一性,而基因操作则比较方便,在实施基因操作时,必须预先知道是哪个氨基酸或哪几个氨基酸影响着蛋白质的性状.就现代生物技术发展水平看,大量新蛋白质通过检测,来确定改变的蛋白质是否具有预期的性状,技术上已是可行的.
2．2 定点突变技术
目前,在蛋白质工程中最常采用的技术是定点诱变技术,即在特定的位点改变基因上核苷酸的种类,从而达到改变蛋白质性状的目的.蛋白质工程发展至当代,利用专一改变基因中某个或某些特定核苷酸的技术,可以产生具有工业上和医药上所需性状的蛋白质.一般来讲对蛋白质所作的改造包括增强酶蛋白的催化能力、稳定性、专一性以及改善酶蛋白质的反应条件等几个方面,已为其大规模的应用创造了条件.
3 蛋白质工程应用研究进展
当前,蛋白质工程修饰、改造的蛋白质为数不算多,但进展较快.随着基因组测序的国际联合行动的快速进展,也带来并已出现了蛋白质高速发展的新阶段.
3．1 在医药方面
许多蛋白质工程的目标是设法提高蛋白质的稳定性.在酶反应器中可延长酶的半衰期或增强其热稳定性,也可以延长治疗用蛋白质的贮存寿命或重要氨基酸抗氧化失活的能力.在这个领域已取得了一些重要研究成果.用蛋白质工程来改造特殊蛋白质为制造特效抗癌药物开辟了新途径.如人的β-干扰素和白细胞-2是两种抗癌作用的蛋白质.但在它们的分子结构中,有一个不成对的基因,是游离的,因而很不稳定,会使蛋白质失去活性.当通过蛋白质工程修饰这种不稳定的结构就可以提高这两种抗癌物质的生物活性.美国的Cetus公司成功地修饰了这两种治疗癌瘤的蛋白质,大大提高了它们的稳定性,已用于临床试验并取得了良好的效果.具有抗癌作用的蛋白质工程产品免疫球蛋白质是一种高效治癌药物,它能成为征服癌症的“生物导弹”,即具有对准目标杀死特定癌细胞而不伤害正常细胞的特效.近年来,澳大利亚医学科学研究所的一个微生物研究课题组经过多年的研究后发现了激发基因开始或停止产生癌细胞的蛋白质.这种蛋白质在癌细胞生长过程中对癌基因起着开通或关闭的作用.这个发现,对于通过蛋白质工程研制鉴别与控制多种类型的血液癌、固体癌的蛋白质有很好的作用,并为诊断和治疗癌症提供了新的方法.目前,应用蛋白质工程研究开发抗癌及抗艾滋病等重大疑难病症等方面,均取得了重大进展.
另据实验,蛋白质工程还可以改变α1抗胰蛋白（ATT）.运用此工程技术在ATT的Met358和Ser359之间切开后,可以与嗜中性白细胞弹性蛋白酶迅速结合而引发抑制作用.在病理学的氧化条件下可导致Met358变成蛋氨酸硫氧化物使ATT不可能与弹性蛋白酶的弹性位点相结合.通过位点直接诱变,Met358被Val代替就成为抗氧化疗法的AAT突变体.含AAT突变体的血浆静脉替代疗法已经用于AAT产物基因缺陷疾病患者的治疗,并已取得明显疗效.
3．2 在农业方面
蛋白质工程正在成为改造农业,大幅度提高粮食产量的新途径.如植物光合作用是利用白光能将二氧化碳转化成贮成能量淀粉,在植物叶片中普遍存在着一种重要的起催化作用的酶,它能固定住二氧化碳,这种酶叫核酮糖-1．5-二磷酸羧化酶.而这种酶具有双重性：它既能固定二氧化碳,又会使二氧化碳在光照条件下通过光呼吸作用损失一半,即光合效率只有50％.现在.这种酶的三维结构已经搞清楚了.参与研究的工作人员认为,可以通过蛋白质工程改造这种酶,控制其不利于人需要的一面,从而大大提高其光合作用效率,增加粮食产量.
近年来,美国坎布里奇的雷普里根公司的科研人员立题,以蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路,他们实施对微生物蛋白质结构进行修改,仅此一举,使微生物农药的杀虫率提高了10倍.
3．3 在工业方面
蛋白质工程在工业上的应用取得的成果亦是很多.现以改变酶的动力学特性研制出高效除污酶为例说明其应用价值.酶的动力学基本规律为：
酶（E）－底物（S）＝酶－底物复合物（ES）＝酶（E）＋产物（P）
在这个反应过程中有4个速率常数：
E－S＝ES＝E＋P
在稳态阶段,ES形成速率与分解速率相等,这个速率就是Km（Michaelis常数）.在数值上,Km等于达到最大速率一半时的底物浓度.Vmax常在反应的初始阶段测定,反应进行中产物浓度将增加,K4则不可忽视,高浓度的底物会抑制酶活性.在底物低浓度时,酶的Km是关键的参数.如在枯草杆菌蛋白酶的活性位点内有一个Met残基,作为去污剂的一种组分,该酶要置于氧化条件下使用.利用位点直接诱变,用其他19种氨基酸的任何一种取代这个Met,这些突变酶在活性方面大不相同,除了CYS代替Met的突变酶外,其他突变酶的活性都下降,而Km值提高.含不可氧化氨基酸（如Cer,Ala或Len）的突变酶在1 mol/L H2O中不失活,而Net和CYS酶则迅速失活.研究者正是根据突变酶的动力学特性来确定枯草蛋白酶在去污剂中的应用,以提高其除污效率,加强去污作用.
另外,美国、日本等国家的科学工作者利用蛋白质工程研制生物元件来取代“硅芯片”,研制生物计算机,开发生物传感器的蛋白质都取得了重大进展.还有利用蛋白质（酶）生产模仿羊毛、蚕丝、蜘蛛丝,其强度高、质量轻,均是蛋白质工程取得的应用性研究成果.
3 展望
蛋白质工程研究,从20世纪80年代初至今,由于分子生物学和技术科学相结合,已经完成了几十种蛋白质分子结构的改造.在蛋白质结构与其功能的研究上已获得很多有价值的检测资料.人们已经初步掌握了蛋白质工程的技术程序,这就是基因定位、诱变.在了解蛋白质三维结构与功能的基础上,对突变后的一维纤性肽链进行分子设计,从而构建全新的蛋白质分子.当今,在这个技术程序的控制手段方面已经取得了关键技术的突破.
蛋白质工程的应用领域极为广泛,现在已对探索环境保护,控制和设计与DNA相互作用的某些调控蛋白,进一步实现控制遗传,改造生物体,创造符合人类需求新生物类型等方面发挥着重要作用.
学者们普遍认为,蛋白质工程是在生物工程领地上崭露出的一片特富魅力的新芽.它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.