蛋白质工程在改造工业用酶中的应用.pdf

第17卷 第2期 四 川 轻 化 工 学 院 学 报 Vol.17 No.2 JOURNAL OF SICHUAN INSTITUTE OF 2004年 6月 Jun.2004 文章编号：1008-438X（2004）02-0079-04 蛋白质工程在改造工业用酶中的应用 吴华昌，邓 静，吴晓莉，韩 莎 （四川理工学院生物工程系四川 自贡 643000） 摘 要：文章概述了蛋白质工程常用策略和用这些策略来改造工业用酶的基本特性（包 括稳定性、活性、选择性和表面特性）及其在工业用酶中的应用，并对其发展做了展望。 关键词：蛋白质工程；工业用酶；合理设计；定向进化 中图分类号：Q816 文献标识码：A 工业用酶在催化化学反应方面具有经济、高效、用途广等优点，已深入到人类生活的各个领 域。但在粗放的工业条件下，如高温、高压、极端pH等，常常使酶的特性遭到破坏，其生产应用 受到了极大的限制。80年代出现的蛋白质工程为改造和设计工业用酶带来了契机。经过几十年的 努力，蛋白质工程改造工业用酶的基本特性已取得了较大的成效。 1 蛋白质工程常用策略 1.1 合理设计 合理设计是蛋白质工程最早使用的技术，而且现在也在广泛的使用。要达到此目的要做好三 个方面的工作。第一要用结晶学技术来获得蛋白质结晶体，然后利用x-射线技术对晶体进行测量、 分析，确定蛋白质的三维结构。第二借助计算机对蛋白质进行选择修饰，从氨基酸的化学结构预 见空间结构，或通过人工智能等其它方法来确定蛋白质和功能的关系，找到要修饰的位点。第三， 通过对基因序列的了解，运用定点突变技术来进行碱基替换。通过此法来改变蛋白质的功能，但 要想获得理想的蛋白质工程产物往往要经过多次分析，替换才能达到目的。 1.2 定向进化 定向进化是蛋白质工程的新策略，它是在不需要事先了解蛋白质的空间结构的情况下通过模 拟自然进化机制，以改进的诱变技术结合确定进化方向的选择方法。因此它能解决合理设计所不 能解决的问题，在工业生产中的应用越来越受到重视。定向进化是在待进化蛋白质基因的PCR扩 增反应中，利用 TaqDNA多聚酶不具有3’-5’校对功能的性质，配合适当条件，以很低的比率向目 的基因中引入突变，构建突变库，凭借定向选择方法，选出所需性质的蛋白质。定向进化实际就 是随机突变加上选择，它与自然进化不同，整个过程都是在人为控制下进行的，并且还可以模拟 真核细胞中DNA随机拼接这一蛋白质进化过程来加速蛋白质的优化。 2 工业用酶基本特性的改造 2.1 提高酶的稳定性 对于一个工业用酶来说首先要求它必须有足够的稳定性，其稳定性包括热稳定性、抗蛋白酶 稳定性、抗氧化稳定性、在有机溶剂中的稳定性等。而其稳定性又受多种因素的影响，如：氨 收稿日期：2003-10-27 作者简介：吴华昌（1970-），男，四川人，硕士，讲师，主要从事非水相酶学方向研究。 80 四 川 轻 化 工 学 院 学 报 2004年6月 基酸序列、三维结构以及辅助因子等。一般可以通过突变引入二硫键，盐键等来提高酶的稳定性。 另外有些氨基酸能降低酶折叠的熵 （如Pro），同时可以在蛋白质结构的刚性部分引进新的分子内 作用力，也可提高酶的稳定性。还有些可以通过延长碳链来达到同样的效果。但不是所有这些方 [1] 法都完全奏效，Yamaguchl等人 就想通过引入二硫键来提高 脂肪酶 的热稳定性却未能取得预想的结果。 2.2 提高酶的活性 酶活力的高低直接影响工业生产效率和生产成本。对于酶的活性中心及调控部位来说，一般 只由少数的几个关键氨基酸残基在空间排列而成，酶活性会因为这些残基中的一个或几个的改变 而发生很大的变化，另外工业中所用底物又相当复杂，因此要提高酶的活性就较困难，研究也表 明，通常突变都会导致酶活力下降。但通过一些特定氨基酸残基的突变，可以提高突变体酶的活