蛋白質(zhì)工程與基因重組
化學(xué)先生 / 2019-08-05
近年來(lái)，生物技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)酶的生產(chǎn)和利用產(chǎn)生了重大影響。早期發(fā)展起來(lái)的化學(xué)修體和固定化技術(shù)。已不能滿(mǎn)足鳴化學(xué)和商工程發(fā)展的需求。蛋白質(zhì)工程和基因重組技術(shù)，使人們?cè)诤艽蟪潭壬蠑[脫了對(duì)天然酶的依賴(lài)，特別是當(dāng)獲取天然陶蛋白根美困難時(shí)，DNA重組技術(shù)更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。
近十年來(lái)，基因工程的發(fā)展使得人們可以教容易地克隆各種各樣的天然酶基因，使其在微生物中高效表達(dá)，并通過(guò)發(fā)酵進(jìn)行大量生產(chǎn)。運(yùn)用基因工程技術(shù)可以改善原有酶的各種性能，如提高酶的產(chǎn)量、增加酶的穩(wěn)定性、根據(jù)需要改變酶反應(yīng)的溫度適應(yīng)范圍、提高降在有機(jī)溶制中的反應(yīng)效率和穩(wěn)定性、使酶在提取和應(yīng)用過(guò)程中更容易操作等。運(yùn)用基因工程技術(shù)，也可以將有害的、未經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定的微生物或生長(zhǎng)緩慢的動(dòng)植物酶基因，克隆到安全的、生長(zhǎng)迅速的、產(chǎn)量很高的微生物體內(nèi)，改由基因工程微生物來(lái)生產(chǎn)。 運(yùn)用基因工程技術(shù)還可以通過(guò)增加酶的基因拷貝數(shù)，來(lái)提高微生物的產(chǎn)酶數(shù)量。
例如，通過(guò)基因工程手段、DNA重組等，來(lái)改變酶蛋白的基本結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化酶在某方面的功能特性，這一方法已在酶制劑生產(chǎn)中成功應(yīng)用。此外，人們還可以在分子水平上對(duì)酶進(jìn)行修飾，從而使酶的熱穩(wěn)定性、催化活性獲得提高。根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，有些蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)實(shí)際上是由一些結(jié)構(gòu)元件組裝起來(lái)的，而且它們的各種功能也與這些結(jié)構(gòu)元件相對(duì)應(yīng)。因此，如果想對(duì)這些蛋白質(zhì)功能元件進(jìn)行分解或重組來(lái)獲得具有單一或復(fù)合功能的新蛋白質(zhì)，就可以通過(guò)分子裁減的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是對(duì)這些蛋白質(zhì)功能元件的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解或重組，面無(wú)須從空間結(jié)構(gòu)的角度上考慮。
同樣，對(duì)于一些功能和特性?xún)H僅由蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中某些氨基酸殘基的化學(xué)特性所決定的酶，也可不經(jīng)過(guò)以空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分子設(shè)計(jì)，直接改變或者消除這些側(cè)鏈來(lái)改變它們的有關(guān)功能或特性。但是，當(dāng)這些殘基的改變從空間結(jié)構(gòu)上影響其它有關(guān)功能時(shí)，就必須對(duì)取代殘基仔細(xì)選擇或篩選。如枯草芽孢桿菌的蛋白酶，它具有氧化不穩(wěn)定性，有一個(gè)容易被氧化的甲硫氨酸殘基，位于活性中心222位。當(dāng)被19種氨基酸替代后，大部分突變型酶的氧化穩(wěn)定性都得到了明顯的提高，但它們的活力都有不同程度的下降。
因此，對(duì)這類(lèi)蛋白酶的改造往往要經(jīng)仔細(xì)的分子設(shè)計(jì)，才能實(shí)施。酶蛋白的另一種改造方法是對(duì)隨機(jī)誘變的基因庫(kù)進(jìn)行定向的篩選和選擇，使用這種方法的前提是必須有一個(gè)目的基因產(chǎn)物的高效檢測(cè)篩選體系。如枯草桿菌蛋白牌是一種胞外堿性蛋白酶，在培養(yǎng)基中加入脫脂牛奶，就可通過(guò)觀察培養(yǎng)皿中蛋白質(zhì)水解圈的有無(wú)或大小來(lái)篩選蛋白酶基因陽(yáng)性或表達(dá)強(qiáng)的菌落，然后選擇所需的菌落，測(cè)定相應(yīng)的DNA序列，找出突變位點(diǎn)。
目前酶蛋白質(zhì)工程主要集中在工業(yè)用酶的改造，因?yàn)楣I(yè)用酶有較好的酶學(xué)和晶體學(xué)研究基礎(chǔ)，酶的發(fā)酵技術(shù)(包括誘變技術(shù)和篩選方法)也比較成熟，而且其微生物的遺傳工程發(fā)展較好，其次工業(yè)酶無(wú)須進(jìn)行醫(yī)學(xué)鑒定，能很快地投入使用。
如用作洗衣粉添加酶的枯草桿菌蛋白酶，是一種天然的絲氨酸蛋白酶，它能夠分解蛋白質(zhì)，使衣服上的血跡和汗?jié)n等很容易洗掉。但這種酶一般比較脆弱，在漂白劑的作用下容易被破壞而失去活性，原因是222位的甲硫氨酸容易被氧化成砜或亞砜?，F(xiàn)在利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)，用絲氨酸或丙氨酸替代后，酶的抗氧化能力大大提高，可在0.5mol/L的過(guò)氧化氫溶液中停留1h而活性絲毫未損，這樣便可與漂白劑混合使用?？梢灶A(yù)見(jiàn)生物工程技術(shù)的發(fā)展和酶固定化技術(shù)可以相互補(bǔ)充，共同發(fā)展，對(duì)酶在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用必將起到更大的推動(dòng)作用。
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