【正文】 第六章 蛋白質(zhì)工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用 第一節(jié) 蛋白質(zhì)工程的概述 一、蛋白質(zhì)工程的概念 二、蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容和技術(shù)方法 三、蛋白質(zhì)工程技術(shù)的發(fā)展歷史 四、蛋白質(zhì)工程技術(shù)的展望 一、蛋白質(zhì)工程的概念 隨著對生命過程研究與探討的逐步深入，人們的認識已經(jīng)不僅 僅局限于對生命現(xiàn)象的描述以及對生命本質(zhì)規(guī)律的了解上，人們希望能夠在掌握現(xiàn)象與本質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，人為的干預(yù)生命過程，依照人們自己的意愿改良、改造生物，甚至能夠創(chuàng)造自然界所未曾有過的生物新種。生物科學(xué)理論和技術(shù)的迅速 發(fā)展 ，使人們在相關(guān)方面的技術(shù)能力 上 達到了一個新的水平，分子遺傳學(xué)、基因工程、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能以及計算機技術(shù)的發(fā)展，為這一目標的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。作為生物最基本的功能大分子之一的“蛋白質(zhì)”，它是幾乎所有生物功能的體現(xiàn)者，弄清蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能及其兩者相互關(guān)系的規(guī)律， 并且定向的改良蛋白質(zhì)，甚至構(gòu)建全 新的蛋白質(zhì)分子已成為客觀的迫切 需要。 1982 年 W inter 等首次報道通過基因定位誘變獲得改性酪氨酸 tRNA 合成酶； 1983 年 Ulmer 在“ Science ”上發(fā)表以“ Protein Engineering ”（蛋白質(zhì)工程）為題的專論，這標志著一個新的獨立學(xué)術(shù)領(lǐng)域“蛋白質(zhì)工程”的誕生。 一、蛋白質(zhì)工程的概念 蛋白質(zhì)工程，是以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究為基礎(chǔ)，運用遺傳工程的方法，借助計算機信息處理技術(shù)，從改變或合成基因入手，定向的改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計全新的人工蛋白質(zhì)分子，使之具有特定的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能，能更好的為人類服務(wù)的一種生物技術(shù)。 蛋白質(zhì)工程是繼基因工程以后又一個可根據(jù)人們自己的意愿改造天然生物大分子，甚至可以設(shè)計和創(chuàng)造全新的非天然的生物大分子的生物技術(shù)。蛋白質(zhì)工程可賦予蛋白質(zhì)特殊的性質(zhì)和功能，滿足人們在某些特定條件下的特殊需要。選擇蛋白質(zhì)為研究對象，是基于蛋白質(zhì)具有多種多樣的功能，以及它在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，因而會使這一技術(shù)更具有實際價值和開發(fā)前景。通常蛋白質(zhì)工程是以基因操作為基礎(chǔ)的，是基因工程技術(shù)的發(fā)展和延伸，所以又被稱為“第二代遺傳工程”。 一、蛋白質(zhì)工程的概念 天然蛋白質(zhì)經(jīng)歷了自然界長期的進化過程，已經(jīng)能夠很好的適應(yīng)生物所處的內(nèi)外環(huán)境，有序而協(xié)調(diào)的 發(fā)揮其功能?？梢哉f天然的正常構(gòu)象是蛋白質(zhì)的最佳狀態(tài)，它既能高效的發(fā)揮功能，又便于機體的正常調(diào)控，因而極易失活而中止作用。但在生物體外的條件下，特別是工業(yè)化的粗放生產(chǎn)條件下，這種可被靈敏調(diào)節(jié)的特性就表現(xiàn)為酶分子性質(zhì)的極不穩(wěn)定性，導(dǎo)致難以持續(xù)發(fā)揮應(yīng)有的功能，成為限制其推廣應(yīng)用的主要原因。如溫度、壓力、機械力、重金屬、有機溶劑、氧化劑以及極端 pH 等都會影響 酶 的作用。蛋白質(zhì)工程技術(shù)針對這一 問題 ，對天然蛋白質(zhì)進行改造改良或全新設(shè)計模擬，使目的蛋白質(zhì)具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，能夠抵御外界的不良環(huán)境，即使在極端惡劣條件下也能 繼續(xù)發(fā)揮作用，因而蛋白質(zhì)工程具有廣闊的應(yīng)用前景。 二、蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容和技術(shù)方法 （一）蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容 （二）蛋白質(zhì)工程的主要研究方法 （一）蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容 1．建立蛋白質(zhì)工程的研究方法系統(tǒng) 2．隨機誘變基因庫的定向篩選 3．研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 4．嚴格意義上的蛋白質(zhì)工程 1．建立蛋白質(zhì)工程的研究方法系統(tǒng) 這是指在研究某些蛋白質(zhì) 一 級結(jié)構(gòu)及其與結(jié)構(gòu)功能元件相互關(guān)系的基礎(chǔ)上建立起應(yīng)用蛋白質(zhì)工程 技術(shù) 的系統(tǒng)。 現(xiàn)代蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)理論研究顯示 ，蛋白質(zhì)或多肽的立體結(jié)構(gòu)實際上可以是由一些相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)元件組裝而成，而且蛋白質(zhì)或多肽的實際功能也與這些結(jié)構(gòu)元件相對應(yīng)。這就啟發(fā)我們可以通過對這些蛋白質(zhì)或多肽的“結(jié)構(gòu) 功能元 件 ”的分解組合，即采用“分子裁剪”的方法 獲得具有特定結(jié)構(gòu)功能的新蛋白質(zhì)。在研究過程中 不必對整體蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)及高級結(jié)構(gòu)的關(guān)系過于苛求，只要了解這些元件的結(jié)構(gòu) 和 功能關(guān)系就能夠滿足需要了，這樣 就 大大簡化了蛋白質(zhì)工程的難度，使其操作的可行性增加。實際上，蛋白質(zhì)在自然界的進化過程也極有可能就是采用這一方式進行的 ， 因為這種方式可以在較短的時間內(nèi)獲得具有新性狀蛋白質(zhì)分子，同時也節(jié)約使用有限的遺傳信息資源，具有較強的適應(yīng)能力。 1．建立蛋白質(zhì)工程的研究方法系統(tǒng) 對蛋白質(zhì)工程而言，已知基因的蛋白質(zhì)也可以很容易地通過基因定位誘變的方法，根據(jù)“中性突變”原則，把蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能元件兩端的 DNA 序列修飾 成限制性內(nèi)切酶位點而不改變蛋白質(zhì)的氨基酸順序，實現(xiàn)某段基因編碼 DNA 的重組，最后實現(xiàn)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能區(qū)域的分解重組。這類方法應(yīng)用較多的是抗體免疫球蛋白分子上的試驗，在輕鏈、重鏈 12 個結(jié)構(gòu)域中，有試驗將人的抗體分子重鏈上的抗原互補決定簇換成了小鼠的抗原決定簇，結(jié)果小鼠的單抗分子所具備的抗原結(jié)合專一性的確轉(zhuǎn)移到人的抗體上了。這就可以用小鼠制備單抗，然后轉(zhuǎn)移給人的抗體，使重組體具有與人的單抗 一致 的效果，這種制備的方法要比直接制備方法簡單方便。有些蛋白 質(zhì)的功能特性與特定的氨基酸側(cè)鏈有關(guān)，這類蛋白質(zhì)的改造，一般來說 不 需要以完整的空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行分子設(shè)計，只要改變相應(yīng)的氨基酸種類即可，但是如何進行改變，換成哪種氨基酸，置換后將會對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能有何影響，則要仔細研究和篩選了。 2．隨機誘變基因庫的定向篩選 這一方法是利用目的基因表型具有高效檢測篩選系統(tǒng)這一特性，在目標條件下從隨機誘變基因庫中分離出目標基因，最終獲得突變蛋白質(zhì)。此方法對結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系還不很 清楚 的蛋白質(zhì)分子也能適用。 對許多蛋白質(zhì)而言，精確結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系均不易明確，我們就不能用嚴格定義的蛋白質(zhì)工程方法來改造或構(gòu)建 ， 但有許多蛋白質(zhì)功能明確，而 且有靈敏、快速、高效、簡便的功能檢測方法。如果我們對目的蛋白質(zhì)基因或基因上某個區(qū)域在體內(nèi)或體外進行隨機誘變，建立突變型基因庫，并通過載體系統(tǒng)表達突變蛋白質(zhì)，用高效檢測系統(tǒng)在預(yù)定條件下篩選，就可能獲得預(yù)期的突變蛋白質(zhì)。這一方法由于具有構(gòu)思新穎、方法可行、背景知識要求低等突出的優(yōu)點。 3．研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 這是指利用各種方法，包括蛋白質(zhì)工程的方法，研究和闡明蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，并且盡可能達到定量描述的水平。 雖然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究，不屬于嚴格意義上的蛋白質(zhì)工程的研究范圍，但是應(yīng)該看到它是蛋白質(zhì)工程研究的基礎(chǔ)，它能為蛋白質(zhì)的分子改造或分子構(gòu)建等設(shè)計過程提供基本參考數(shù)據(jù)。該研究內(nèi)容包括：蛋白質(zhì)活性中心 ( 催化中心和調(diào)節(jié)中心 ) 的鑒定、蛋白質(zhì)中各個關(guān)鍵氨基酸殘基在結(jié)構(gòu)和功能中的作用和貢獻、蛋白質(zhì)的折疊過程及其折疊中間體的能量狀態(tài)和穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間 以及蛋白質(zhì)與其他生物大分子之間的相互作用和相互識別等。 4．嚴格意義上的蛋