蛋白質(zhì)工程的崛起

關(guān)于蛋白質(zhì)工程的崛起一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程的實(shí)質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者產(chǎn)生本身不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，從而表現(xiàn)出新的性狀?；蚬こ痰膶?shí)質(zhì)：在原則上只能產(chǎn)生自然界已存在的蛋白質(zhì)?；蚬こ痰?頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在已研究過(guò)的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒(méi)有活性或活性很低。這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題。天然蛋白質(zhì)的不足第3頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)符合特定物種生存需要。不一定符合人類生產(chǎn)、生活需要。干擾素治療病毒感染、癌癥。體外保存困難。改變分子結(jié)構(gòu)：半胱氨酸絲氨酸保存半年第4頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天產(chǎn)量提高賴氨酸含量低合成時(shí)需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響蘇氨酸異亮氨酸天冬酰胺異亮氨酸第5頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達(dá)生物特有的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過(guò)程遵循中心法則，并需經(jīng)過(guò)高級(jí)空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變第6頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過(guò)的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)改造要容易操作，難度要小得多。第7頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、蛋白質(zhì)工程的原理：3、基本途徑(中心法則的逆推)從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）由預(yù)期的蛋白質(zhì)找到相對(duì)應(yīng)的基因進(jìn)行改造第8頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：

……—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—……（1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)。有多少種？（2）確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（DNA）？第9頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天第10頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過(guò)人工合成的方法或從基因庫(kù)中獲取。mRNA序列為：(1)GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）第11頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

通過(guò)物理化學(xué)與生物化學(xué)等技術(shù)了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)誘變和重組DNA技術(shù)改造基因，以定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)的技術(shù)。其中基因工程是關(guān)鍵技術(shù)。因此蛋白質(zhì)工程又被稱為第二代基因工程。蛋白質(zhì)工程的概念第12頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天基礎(chǔ):以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)。手段:基因修飾或基因合成：借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)誘變和重組DNA技術(shù)二、蛋白質(zhì)工程的基本原理第13頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天目的:

對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造,或制造一種新的蛋白質(zhì),以滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。第14頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天項(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程操作起點(diǎn)操作核心過(guò)程目標(biāo)結(jié)果聯(lián)系目的基因預(yù)期的蛋白質(zhì)功能基因表達(dá)載體基因獲取目的基因→構(gòu)建表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與表達(dá)預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上,延伸出來(lái)的第二代基因工程。因?yàn)閷?duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過(guò)基因的修飾或基因的合成。生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)第15頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天異想天開(kāi)能否根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上講可以，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。一些報(bào)道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來(lái)而自然不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個(gè)嶄新的蛋白質(zhì)會(huì)帶來(lái)什么危害也是人們所擔(dān)心的。第16頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)工程現(xiàn)狀

蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景第17頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)工程的前景

蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就，它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來(lái)研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時(shí)代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開(kāi)拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開(kāi)創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時(shí)期。第18頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)前，蛋白質(zhì)工程修飾、改造的蛋白質(zhì)為數(shù)不算多，但進(jìn)展較快。隨著基因組測(cè)序的國(guó)際聯(lián)合行動(dòng)的快速進(jìn)展，也帶來(lái)并已出現(xiàn)了蛋白質(zhì)高速發(fā)展的新階段。蛋白質(zhì)工程進(jìn)展第19頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天1．醫(yī)藥方面

許多蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是設(shè)法提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。在酶反應(yīng)器中可延長(zhǎng)酶的半衰期或增強(qiáng)其熱穩(wěn)定性，也可以延長(zhǎng)治療用蛋白質(zhì)的貯存壽命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在這個(gè)領(lǐng)域已取得了一些重要研究成果。用蛋白質(zhì)工程來(lái)改造特殊蛋白質(zhì)為制造特效抗癌藥物開(kāi)辟了新途徑。第20頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．在農(nóng)業(yè)方面

蛋白質(zhì)工程正在成為改造農(nóng)業(yè)，大幅度提高糧食產(chǎn)量的新途徑。近年來(lái)，美國(guó)坎布里奇的雷普里根公司的科研人員立題，以蛋白質(zhì)工程作為設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥的新思路，他們實(shí)施對(duì)微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，僅此一舉，使微生物農(nóng)藥的殺蟲(chóng)率提高了10倍。第21頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)工程在工業(yè)上的應(yīng)用取得的成果亦是很多。現(xiàn)以改變酶的動(dòng)力學(xué)特性研制出高效除污酶為例說(shuō)明其應(yīng)用價(jià)值。

另外，美國(guó)、日本等國(guó)家的科學(xué)工作者利用蛋白質(zhì)工程研制生物元件來(lái)取代“硅芯片”，研制生物計(jì)算機(jī)，開(kāi)發(fā)生物傳感器的蛋白質(zhì)都取得了重大進(jìn)展。還有利用蛋白質(zhì)（酶）生產(chǎn)模仿羊毛、蠶絲、蜘蛛絲，其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，均是蛋白質(zhì)工程取得的應(yīng)用性研究成果。第22頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.提示：

基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。第23頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天你知道酶工程嗎？絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說(shuō)，酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。通常所說(shuō)的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)由酶的功能來(lái)設(shè)計(jì)酶的分