蛋白质工程的应用

摘要：蛋白质工程主要是在分子水平上进行设计，同时通过DNA重组的方式对自然界中的各种蛋白质实施突变，在目前药物研发中得到比较广泛的应用。可以说这种技术能对药物成分进行针对性的技术改造，这样能进一步保障药物的稳定性以及生物利用度，提高药物研发的质量。工业用酶在催化化学反应方面具有经济、高效、用途广等优点，已深入到人类生活的各个领域

关键词：蛋白质工程;生物药物;药物研究;酶

【中图分类号】G644.5             【文獻标识码】A             【文章编号】2107-2306（2021）12--01

引言

蛋白质工程主要是在分子水平上进行设计，同时通过DNA重组的方式对自然界中的各种蛋白质实施突变，在目前药物研发中得到比较广泛的应用。探究该工程技术在生物药物研发中的运用。目前，人们已经可以利用蛋白质工程技术在基因水平上对DNA进行设计、重组，通过转录、翻译等过程合成自然界中不存在的蛋白质。这一技术目前被广泛地应用于生物药物的研发当中。

1、蛋白质工程技术在生物药物研发中的具体应用

1.1体外定向进化技术

此项技术主要是对天然蛋白进行技术改造，因为重点是对少数位点突变的技术改造，所以不能改变蛋白质本身所具备的高级结构，只能改变部分的蛋白质功能。体外定向转化也可以称之为分子转化，借助体外DNA或者是PCR等技术对活性较高的药物进行合理的筛选，这样能得到自然界所不具备的优质药物。DNA改组是一项优良的技术，能对蛋白药物进行针对性的优化，重点对生物酶稳定性以及活性进行有效的筛选，同时也可以对特异性进行更高水准的筛选。例如在进行医药研究的过程中运用乳酸氧化酶对L-乳酸实施氧化技术处理，通过基因改造的方式提高其稳定性，这样能提高其热稳定性以提高药物治疗的效果。在进行PCR体外扩增的过程中，技术人员应该找寻合适的技术条件，进一步实现简单化的随机突变，需要得到其他技术的支持。一般情况下很难在一轮定向选择之后获得满意的成果，所以应该开展持续性的技术筛选，最终选择到最为有益的突变型基因，也可以获得更好的突变知识累积。例如在医药研究领域，1.3-丙二醇能作为合成单位进行聚酯等物质的合成研究。在技术合成过程中也可以运用同工酶提高药物活性，这是因为同工酶是经历过突变筛选之后而获得的氧化还原酶，体现出比较强的催化活性。

1.2定点突变工程技术

此项技术是建立在生物医学的功能以及结构的技术改造，通过改变大分子本身氨基酸序列的方式改变药物性状，这样可以对一级结构进行更好的修饰。和化学或者是自然因素所诱导的基因突变相比更加具备鲜明的特异性，也体现出更加强大的重复性。技术人员能通过改变核苷酸序列方式进一步改善生物医药的性能以及临床使用功能，这样能获得具备更高活性的生物药物。以纳豆激酶为例，在实际应用中体现出稳定性比较差的问题，同时也体现出容易被氧化的现象，不能在医学药物中得到更好的运用。所以技术人员可以通过定点突变的方式在纳豆激酶序列中增加丙氨酸以及丝氨酸，这样能通过改变苏氨酸位点的路径提高其抗氧化能力。此外，技术人员也能通过催化抗体的运用对免疫球蛋白活性进行更高层面的调节，立足突变技术的应用提高催化酶的活性，进一步提高生物药物的质量。

1.3 转运RNA

学术研究指出转运RNA 是对目的蛋白进行选择性的功能改造，给蛋白质提供更加稳定的结构保障。技术人员应该对转运RNA进行有效的抑制，需要关注到错酰化现象，重视在目的蛋白中引入反密码子。例如技术人员通过在西尼罗河脑炎病毒结构中融入氨酰转化RNA合成酶形成突变体，而这种突变体具备荧敏感这一特征，以此筛选出更加科学的酶抑制剂。

2、工业用酶基本特性的改造

2.1  提高酶的稳定性

对于一个工业用酶来说首先要求它必须有足够的稳定性，其稳定性包括热稳定性、抗蛋白酶稳定性、抗氧化稳定性、在有机溶剂中的稳定性等。而其稳定性又受多种因素的影响，如：氨 基酸序列、三维结构以及辅助因子等。一般可以通过突变引入二硫键，盐键等来提高酶的稳定性。

2.2  提高酶的活性

酶活力的高低直接影响工业生产效率和生产成本。对于酶的活性中心及调控部位来说，一般只由少数的几个关键氨基酸残基在空间排列而成，酶活性会因为这些残基中的一个或几个的改变而发生很大的变化，另外工业中所用底物又相当复杂，因此要提高酶的活性就较困难，研究也表明，通常突变都会导致酶活力下降。但通过一些特定氨基酸残基的突变，可以提高突变体酶的活力。对大肠杆菌碱性酯酶的活性位点旁边的 D101 进行突变，D101A 突变体酶的比活力上升了 15 倍。现在人们正努力去探求酶催化机制，一旦搞清了酶的催化机制，那用蛋白质工程就能更有效的提高酶活。

2.3  增强酶的选择性

酶的选择性是酶的重要特性之一。通过对酶结构及催化机制的分析发现酶与底物结合一般都有一个特异性口袋，由于口袋形状大小各异，口袋上连接的氨基酸种类及所带电荷又不同，其对底物的专一性也不同。一般通过突变改变口袋的电荷，疏水性，立体结构来改变酶对底物的选择性。研究了几个脂肪酶的结构，发现其口袋的形式有三种（1）裂缝式（2）漏斗式（3）地道式。并通过替换不同氨基酸残基，使酶对脂肪链长的专一性发生了改变。

2.4  改变酶的表面特性

很多重要的工业用酶都只作用于底物的表面。比纤维素酶和木聚糖酶都有一个协助酶与底物结合的连接区;脂肪酶只有在油水界面上才能发挥作用。因此弄清促使酶和底物相互作用的驱动力就显得尤为重要。研究发现 Savinase 蛋白酶，Lipolase 脂肪酶表面电荷的相互作用是促使酶对底物吸附的主要驱动力。Juffer 等人用分子模型研究了角质脂肪酶及其突变体，发现吸附的自由能和蛋白质电荷之间存在线性关系。因此通过蛋白质工程改变酶表面电荷状况来影响酶的表面特性，达到改变酶对底物吸附特性。

总的说来，酶的稳定性、活性、选择性以及表面特性往往是相互联系的。有时在提高酶的稳定性时，其活性会下降。而提高其活性时，酶的选择性又有可能下降。因此要使一个酶能有较宽的适用范围，而其各方面的特性又不受大的影响，那就必须了解各特性之间的相互作用关系，在它们之间找到一个平衡点。

参考文献：

[1]陈铄.浅议生物药物研发中对于蛋白质工程技术的应用

[2]郑昆，杨红议生物药物研发中对于蛋白质工程技术的应用

作者简介：姓名：吕翔宇，出生日期：1998.07.11，性别：男，民族：汉，籍贯：湖北省襄阳市樊城区，学历：本科，职称：无，研究方向：细胞生物学，工作单位：烟台市鲁东大学