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  ·堇· 2011-12-05 00:00:00

  蛋白質工程的研究進展及前景展望 1 蛋白質工程的由來和目標 蛋白質工程是在基因工程沖擊下應運而生的?；蚬こ痰难芯颗c開發(fā)是以遺傳基因，即脫氧核糖核酸為內(nèi)容的。這種生物大分子的研究與開發(fā)誘發(fā)了另一個生物大分子蛋白質的研究與開發(fā)。這就是蛋白質工程的由來。它是以蛋白質的結構及其功能為基礎，通過基因修飾和基因合成對現(xiàn)存蛋白質加以改造，組建成新型蛋白質的現(xiàn)代生物技術。這種新型蛋白質必須是更符合人類的需要。因此，有學者稱，蛋白質工程是第二代基因工程。其基本實施目標是運用基因工程的DNA重組技術，將克隆后的基因編碼加以改造，或者人工組裝成新的基因，再將上述基因通過載體引入挑選的宿主系統(tǒng)內(nèi)進行表達，從而產(chǎn)生符合人類設計需要的“突變型”蛋白質分子。這種蛋白質分子只有表達了人類需要的性狀，才算是實現(xiàn)了蛋白質工程的目標。 2 蛋白質工程原理和基本操作 2．1 分子設計 由于基因工程的發(fā)展，人們已經(jīng)可以運用基因重組等理論和方法去設計并制造出預想的各種性能的蛋白質。這種改變蛋白質的操作可以在蛋白質水平上，也可以在基因水平上。如基因水平的改變，是在功能基因開發(fā)的基礎上，對編碼蛋白質的基因進行改造，小到可改變一個核苷酸，大到可以加入或消除某一結構的編碼序列。蛋白質水平的改變則主要是對制造出的蛋白質進行加工、修飾，如磷酸化、糖基化等。蛋白質的化學修飾條件劇烈，無專一性，而基因操作則比較方便，在實施基因操作時，必須預先知道是哪個氨基酸或哪幾個氨基酸影響著蛋白質的性狀。就現(xiàn)代生物技術發(fā)展水平看，大量新蛋白質通過檢測，來確定改變的蛋白質是否具有預期的性狀，技術上已是可行的。 2．2 定點突變技術 目前，在蛋白質工程中Z常采用的技術是定點誘變技術，即在特定的位點改變基因上核苷酸的種類，從而達到改變蛋白質性狀的目的。蛋白質工程發(fā)展至當代，利用專一改變基因中某個或某些特定核苷酸的技術，可以產(chǎn)生具有工業(yè)上和醫(yī)藥上所需性狀的蛋白質。一般來講對蛋白質所作的改造包括增強酶蛋白的催化能力、穩(wěn)定性、專一性以及改善酶蛋白質的反應條件等幾個方面，已為其大規(guī)模的應用創(chuàng)造了條件。 3 蛋白質工程應用研究進展 當前，蛋白質工程修飾、改造的蛋白質為數(shù)不算多，但進展較快。隨著基因組測序的國際聯(lián)合行動的快速進展，也帶來并已出現(xiàn)了蛋白質高速發(fā)展的新階段。 3．1 在醫(yī)YF面 許多蛋白質工程的目標是設法提高蛋白質的穩(wěn)定性。在酶反應器中可延長酶的半衰期或增強其熱穩(wěn)定性，也可以延長ZL用蛋白質的貯存壽命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在這個領域已取得了一些重要研究成果。用蛋白質工程來改造特殊蛋白質為制造藥物開辟了新途徑。如人的β-干擾素和白細胞-2是兩種作用的蛋白質。但在它們的分子結構中，有一個不成對的基因，是游離的，因而很不穩(wěn)定，會使蛋白質失去活性。當通過蛋白質工程修飾這種不穩(wěn)定的結構就可以提高這兩種物質的生物活性。美國的Cetus公司成功地修飾了這兩種ZL癌瘤的蛋白質，大大提高了它們的穩(wěn)定性，已用于臨床試驗并取得了良好的效果。具有作用的蛋白質工程產(chǎn)品免疫球蛋白質是一種GX治癌藥物，它能成為征服癌癥的“生物”，即具有對準目標殺死特定癌細胞而不傷害正常細胞的。近年來，澳大利亞醫(yī)學科學研究所的一個微生物研究課題組經(jīng)過多年的研究后發(fā)現(xiàn)了激發(fā)基因開始或停止產(chǎn)生癌細胞的蛋白質。這種蛋白質在癌細胞生長過程中對癌基因起著開通或關閉的作用。這個發(fā)現(xiàn)，對于通過蛋白質工程研制鑒別與控制多種類型的血液癌、固體癌的蛋白質有很好的作用，并為診斷和ZL癌癥提供了新的方法。目前，應用蛋白質工程研究開發(fā)及抗艾滋病等重大疑難病癥等方面，均取得了重大進展。 另據(jù)實驗，蛋白質工程還可以改變α1抗胰蛋白（ATT）。運用此工程技術在ATT的Met358和Ser359之間切開后，可以與嗜中性白細胞彈性蛋白酶迅速結合而引發(fā)YZ作用。在病理學的氧化條件下可導致Met358變成蛋氨酸硫氧化物使ATT不可能與彈性蛋白酶的彈性位點相結合。通過位點直接誘變，Met358被Val代替就成為抗氧化療法的AAT突變體。含AAT突變體的血漿靜脈替代療法已經(jīng)用于AAT產(chǎn)物基因缺陷疾病患者的ZL，并已取得明顯LX。 3．2 在農(nóng)業(yè)方面 蛋白質工程正在成為改造農(nóng)業(yè)，大幅度提高糧食產(chǎn)量的新途徑。如植物光合作用是利用白光能將二氧化碳轉化成貯成能量淀粉，在植物葉片中普遍存在著一種重要的起催化作用的酶，它能固定住二氧化碳，這種酶叫核酮糖-1．5-二磷酸羧化酶。而這種酶具有雙重性：它既能固定二氧化碳，又會使二氧化碳在光照條件下通過光呼吸作用損失一半，即光合效率只有50％?，F(xiàn)在。這種酶的三維結構已經(jīng)搞清楚了。參與研究的工作人員認為，可以通過蛋白質工程改造這種酶，控制其不利于人需要的一面，從而大大提高其光合作用效率，增加糧食產(chǎn)量。 近年來，美國坎布里奇的雷普里根公司的科研人員立題，以蛋白質工程作為設計優(yōu)良微生物農(nóng)藥的新思路，他們實施對微生物蛋白質結構進行修改，僅此一舉，使微生物農(nóng)藥的殺蟲率提高了10倍。 3．3 在工業(yè)方面 蛋白質工程在工業(yè)上的應用取得的成果亦是很多。現(xiàn)以改變酶的動力學特性研制出GX除污酶為例說明其應用價值。酶的動力學基本規(guī)律為： 酶（E）－底物（S）＝酶－底物復合物（ES）＝酶（E）＋產(chǎn)物（P） 在這個反應過程中有4個速率常數(shù)： E－S＝ES＝E＋P 在穩(wěn)態(tài)階段，ES形成速率與分解速率相等，這個速率就是Km（Michaelis常數(shù)）。在數(shù)值上，Km等于達到Z大速率一半時的底物濃度。Vmax常在反應的初始階段測定，反應進行中產(chǎn)物濃度將增加，K4則不可忽視，高濃度的底物會YZ酶活性。在底物低濃度時，酶的Km是關鍵的參數(shù)。如在枯草桿菌蛋白酶的活性位點內(nèi)有一個Met殘基，作為去污劑的一種組分，該酶要置于氧化條件下使用。利用位點直接誘變，用其他19種氨基酸的任何一種取代這個Met，這些突變酶在活性方面大不相同，除了CYS代替Met的突變酶外，其他突變酶的活性都下降，而Km值提高。含不可氧化氨基酸（如Cer，Ala或Len）的突變酶在1 mol/L H2O中不失活，而Net和CYS酶則迅速失活。研究者正是根據(jù)突變酶的動力學特性來確定枯草蛋白酶在去污劑中的應用，以提高其除污效率，加強去污作用。 另外，美國、日本等國家的科學工作者利用蛋白質工程研制生物元件來取代“硅芯片”，研制生物計算機，開發(fā)生物傳感器的蛋白質都取得了重大進展。還有利用蛋白質（酶）生產(chǎn)模仿羊毛、蠶絲、蜘蛛絲，其強度高、質量輕，均是蛋白質工程取得的應用性研究成果。 3 展望 蛋白質工程研究，從20世紀80年代初至今，由于分子生物學和技術科學相結合，已經(jīng)完成了幾十種蛋白質分子結構的改造。在蛋白質結構與其功能的研究上已獲得很多有價值的檢測資料。人們已經(jīng)初步掌握了蛋白質工程的技術程序，這就是基因定位、誘變。在了解蛋白質三維結構與功能的基礎上，對突變后的一維纖性肽鏈進行分子設計，從而構建全新的蛋白質分子。當今，在這個技術程序的控制手段方面已經(jīng)取得了關鍵技術的突破。 蛋白質工程的應用領域極為廣泛，現(xiàn)在已對探索環(huán)境保護，控制和設計與DNA相互作用的某些調控蛋白，進一步實現(xiàn)控制遺傳，改造生物體，創(chuàng)造符合人類需求新生物類型等方面發(fā)揮著重要作用。 學者們普遍認為，蛋白質工程是在生物工程領地上嶄露出的一片特富魅力的新芽。它不僅可以帶動生物工程進一步發(fā)展，還可以推動與人類生產(chǎn)、生活關系密切的相關科學的發(fā)展，如抗蛋白質變性延緩衰老，遺傳病的FZ，農(nóng)牧業(yè)遺傳育種、航天科技、新型材料學等。

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