蛋白质工程与基因重组
化学先生 / 2019-08-05
近年来，生物技术的迅速发展，对酶的生产和利用产生了重大影响。早期发展起来的化学修体和固定化技术。已不能满足鸣化学和商工程发展的需求。蛋白质工程和基因重组技术，使人们在很大程度上摆脱了对天然酶的依赖，特别是当获取天然陶蛋白根美困难时，DNA重组技术更显示出其独特的优越性。
近十年来，基因工程的发展使得人们可以教容易地克隆各种各样的天然酶基因，使其在微生物中高效表达，并通过发酵进行大量生产。运用基因工程技术可以改善原有酶的各种性能，如提高酶的产量、增加酶的稳定性、根据需要改变酶反应的温度适应范围、提高降在有机溶制中的反应效率和稳定性、使酶在提取和应用过程中更容易操作等。运用基因工程技术，也可以将有害的、未经权威机构鉴定的微生物或生长缓慢的动植物酶基因，克隆到安全的、生长迅速的、产量很高的微生物体内，改由基因工程微生物来生产。 运用基因工程技术还可以通过增加酶的基因拷贝数，来提高微生物的产酶数量。
例如，通过基因工程手段、DNA重组等，来改变酶蛋白的基本结构，强化酶在某方面的功能特性，这一方法已在酶制剂生产中成功应用。此外，人们还可以在分子水平上对酶进行修饰，从而使酶的热稳定性、催化活性获得提高。根据蛋白质结构理论，有些蛋白质立体结构实际上是由一些结构元件组装起来的，而且它们的各种功能也与这些结构元件相对应。因此，如果想对这些蛋白质功能元件进行分解或重组来获得具有单一或复合功能的新蛋白质，就可以通过分子裁减的方法来实现。也就是对这些蛋白质功能元件的一级结构进行分解或重组，面无须从空间结构的角度上考虑。
同样，对于一些功能和特性仅仅由蛋白质一级结构中某些氨基酸残基的化学特性所决定的酶，也可不经过以空间结构为基础的分子设计，直接改变或者消除这些侧链来改变它们的有关功能或特性。但是，当这些残基的改变从空间结构上影响其它有关功能时，就必须对取代残基仔细选择或筛选。如枯草芽孢杆菌的蛋白酶，它具有氧化不稳定性，有一个容易被氧化的甲硫氨酸残基，位于活性中心222位。当被19种氨基酸替代后，大部分突变型酶的氧化稳定性都得到了明显的提高，但它们的活力都有不同程度的下降。
因此，对这类蛋白酶的改造往往要经仔细的分子设计，才能实施。酶蛋白的另一种改造方法是对随机诱变的基因库进行定向的筛选和选择，使用这种方法的前提是必须有一个目的基因产物的高效检测筛选体系。如枯草杆菌蛋白牌是一种胞外碱性蛋白酶，在培养基中加入脱脂牛奶，就可通过观察培养皿中蛋白质水解圈的有无或大小来筛选蛋白酶基因阳性或表达强的菌落，然后选择所需的菌落，测定相应的DNA序列，找出突变位点。
目前酶蛋白质工程主要集中在工业用酶的改造，因为工业用酶有较好的酶学和晶体学研究基础，酶的发酵技术(包括诱变技术和筛选方法)也比较成熟，而且其微生物的遗传工程发展较好，其次工业酶无须进行医学鉴定，能很快地投入使用。
如用作洗衣粉添加酶的枯草杆菌蛋白酶，是一种天然的丝氨酸蛋白酶，它能够分解蛋白质，使衣服上的血迹和汗渍等很容易洗掉。但这种酶一般比较脆弱，在漂白剂的作用下容易被破坏而失去活性，原因是222位的甲硫氨酸容易被氧化成砜或亚砜。现在利用蛋白质工程技术，用丝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的过氧化氢溶液中停留1h而活性丝毫未损，这样便可与漂白剂混合使用。可以预见生物工程技术的发展和酶固定化技术可以相互补充，共同发展，对酶在工业领域的应用必将起到更大的推动作用。
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