【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(rèn)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(dá)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)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(bào)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(biāo)志著一個新的獨(dú)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(yùn)用遺傳工程的方法，借助計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)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(shí)際價(jià)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(jìn)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(jī)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(jī)械力、重金屬、有機(jī)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(jìn)行改造改良或全新設(shè)計(jì)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(jī)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(yán)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(shí)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(shí)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(shí)際上，蛋白質(zhì)在自然界的進(jìn)化過程也極有可能就是采用這一方式進(jìn)行的 ， 因?yàn)檫@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(qiáng)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(diǎn)而不改變蛋白質(zhì)的氨基酸順序，實(shí)現(xiàn)某段基因編碼 DNA 的重組，最后實(shí)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(yàn)，在輕鏈、重鏈 12 個結(jié)構(gòu)域中，有試驗(yàn)將人的抗體分子重鏈上的抗原互補(bǔ)決定簇?fù)Q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(jìn)行分子設(shè)計(jì)，只要改變相應(yīng)的氨基酸種類即可，但是如何進(jìn)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(xì)研究和篩選了。 2．隨機(jī)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(biāo)條件下從隨機(jī)誘變基因庫中分離出目標(biāo)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(yán)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(jìn)行隨機(jī)誘變，建立突變型基因庫，并通過載體系統(tǒng)表達(dá)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(diǎn)。 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(dá)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(yán)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(jì)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(xiàn)、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(yán)格意義上的蛋