酶的定向进化及其应用.doc

酶的定向进化及其应用 第3卷第3期 2005年8月 生物加工过程 ChineseJournalofBioprocessEngineering Aug.2005 ? 7? 酶的定向进化及其应用 孙志浩,柳志强 (江南大学生物工程学院生物催化研究室,工业生物技术教育部重点实验室,无锡214036) 摘要:综述了生物催化剂(酶)分子定向进化的产生,原理,方法及应用,深入阐述酶分子定向进化过程中的相关 问题,重点介绍了易错PcR(Error-pronePcR)和DNA改组(DNAshuffling)等几种典型的酶定向进化方法与成功实例, 展望了生物定向进化研究的发展前景. 关键词:生物催化剂蛋白质工程;非理性设计;定向进化;易错PCR;DNA改组 中图分类号:X17文献标识码:A文章编号:1672—3678(2005)03—0007—07 Methodsandappficationofdirectedenzymeevolution SUNZhi—hao,LIUZhi—qiang (LaboratoryofBiocatalysis,SchoolofBiotechnology,SouthernYangtzeUniversity,TheKeyLaboratoryofIndustrialBiotechnology, MinistryofEducation,Wuxi214036,China) Abstract:Thehistory,principle,methodsandapplicationsofdirectedenzymeevolutionarereviewedinthisar— ticle,andthequestionsmetintheprocedureofdirectedenzymeevolutionarefurtherdiscussed.Severalrepre— sentativemethods,suchaserrorpronePCRandDNAshuffling,andsuccessfulsamplesareintroduced.Mean— while,thedevelopmentofdirectedenzymeevolutionisalsoprospected Keywords:biocatalyst;proteinengineering;irrationaldesign;directedevolution;errorpronePCR;DNAshuf- fling 由于绝大部分生物催化剂——酶是蛋白质,因 此生物催化剂的分子定向进化又称为酶的定向进化 (directedenzymeevolution)….在不需事先了解生物 催化剂的空间结构和催化机制的条件下,通过各种 突变方法向编码生物催化剂的基因中引入突变,突 变的基因可以通过重组如DNA改组等方法进行重 新组装,提高基因进化的效率.这些被改造的基因 可以生产性能提高的生物催化剂,进而利用筛选或 选择的方法在较大的文库中获得具有目的性能的突 变株. 利用定向进化方法不仅为有机化学领域提供有 用的生物催化剂,而且利用该手段还可以改变生物 催化剂的性能,甚至可以使生物催化剂具备原本不 具有的催化活力和性能..该方法是一种在生物 体体外(试管中)模拟达尔文进化的,快速的,具有一 定目的性的改造蛋白质的方法,相对于传统的蛋白 质的理性设计(rationaldesign)方法,该方法被称为 蛋白质的非理性设计(irrationaldesign)方法. 定向进化方法可以在试管中以较短的时间(几 个月或几周内)完成自然条件下需要千百万年的进 化过程.酶的定向进化方法实用性较强,可以通过 对编码酶基因进行随机突变,进而改进酶的特性,也 可以改造整个生物合成和生物降解途径. 美国Maxygen公司的Stemmer将DNA改组 收稿日期:2005436—08 基金项目:国家973项目(2003CB716008),国家自然科学基金项目. 作者简介:孙志浩,男,教授,博士生导师,研究方向为微生物,酶与生物催化. ? 8?生物加工过程第3卷第3期 (DNAShuffling)方法应用于定向进化过程中L6,7.,为 定向进化的理论及应用研究奠定了基础.目前,酶 的定向进化主要在以下几个方面开展工作:在非自 然或极端环境中(此时生物催化剂的活性和稳定性 极低)生物催化剂稳定性和功能的提高;对新底物催 化活性的提高,特异性的调节(尤其是对映体选择 性)以及在异种宿主中功能表达能力的提高一.引 用加州理工学院从事定向进化研究的生物化学家弗 朗西丝?阿诺德女士对定向进化的解释可以对该方 法有进一步的认识:定向进化是物种进行选择的一 个高技术版本,是在分子水平上的繁育.研究的对 象不是整个机体