淺談酶分子的改造方法

潘國楷+劉明輝+夏寧

摘 要：酶工程的研究現在已經發展到分子水平。通過基因工程、化學、物理等手段改造酶分子結構與功能，大幅提高了酶分子的進化效率和催化效率，生產有價值的非天然酶。本文對常見的酶分子的改造方法做了一個簡單的介紹，并對酶改造的發展前景做了描述。

關鍵詞：酶分子；基因工程；蛋白質；前景

1.酶與酶分子的改造

1.1 酶

酶是指以蛋白質為主體的生物催化劑，具有在常溫常壓和近中性pH等溫和條件下，高效率地進行區域或對映體選擇性催化的特點。迄今為止，從生物界已發現和定性了近3000種酶，分屬氧化還原、轉移、水解、裂合、異構、連接六大類。由于酶具有反應專一性、催化效率高及反應條件溫和等優點，因此在工業、農業、醫藥和環保等方面已經得到越來越多的應用。但總體還沒有達到大規模應用的程度，其主要原因在于酶自身性質上的一些不足。因此，人們希望通過各種方法、按照需要定向地改造酶分子，甚至創造出自然界尚未發現的新酶，從而滿足各行各業的需要。

1.2酶分子的改造

在酶的應用過程中，有時會因酶的穩定性差、活力不夠理想及具有抗原性等缺點而受到一定的限制，為此常需對酶分子進行適當的改造和加工，以改善酶的性能。酶分子的改造以提高酶的穩定性和活性、增強酶的選擇性、改變酶的表面特性為

目標。

2.改造酶分子的方法

2.1 化學修飾法

酶分子的化學修飾是指通過主鏈的剪接切割和側鏈的化學修飾對酶分子進行改造，其目的在于改變酶的一些性質，創造出天然酶不具備的某些優良性狀，擴大酶的應用以達到較高的經濟效益。

酶在進行化學修飾后，大多數酶的性質會發生一些變化，如熱穩定性、抗各類失活因子能力、抗原性、半衰期、最適PH值等。

酶修飾中存在的問題是，隨著酶與修飾劑結合率提高，酶活回收率將下降?？朔姆椒ㄊ遣扇∫恍┍Ｗo措施，如添加酶的競爭性抑制劑，保護酶活性部位以及改進現有的修飾工藝，進一步完善酶的化學修飾法。

化學修飾酶的目標是提高酶活力，改進酶的穩定性，改變酶的特異性，提高催化過程的反應效率。

2.2 生物酶工程法

酶的化學修飾法并非改造酶的惟一手段。隨著人們對酶的深入研究以及氨基酸一級結構的測定、基因重組技術的應用等，可以徹底地改造、合成并且模擬酶。這也就是生物酶工程的主要內容。生物酶工程主要包括基因工程技術和蛋白質工程技術。

（1）基因工程技術改造和生產酶

基因工程改造酶分子主要包括三方面內容①用基因工程技術大量生產酶。②修飾酶基因，產生遺傳修飾。③設計出新酶基因，合成自然界從未有過的酶。

自從 20 世紀 70 年代重組DNA技術的建立，使人們在很大程度上擺脫了對天然酶的依賴。近十年來，基因工程的發展使得人們可以較容易地克隆各種各樣天然的酶基因，使其在微生物中高效表達，并通過發酵進行大量生產。目前已有100多種酶基因克隆成功，包括尿激酶基因、凝乳酶基因等。

（2）蛋白質工程改造和生產酶

蛋白質工程改造和生產酶包括合理設計技術和定向進化技術。

合理設計技術是蛋白質工程最早使用的技術，現在也在廣泛的使用。合理設計技術要做好三個方面的工作，首先要用結晶學技術來獲得蛋白質結晶體，然后利用x射線技術對晶體進行測量、分析，確定蛋白質的三維結構。其次，借助計算機對蛋白質進行選擇修飾，從氨基酸的化學結構預見空間結構，或通過人工智能等其它方法來確定蛋白質和功能的關系，找到要修飾的位點。第三，通過對基因序列的了解，運用定點突變技術來進行堿基替換。通過此法來改變蛋白質的功能，要想獲得理想的蛋白質工程產物往往要經過多次分析，替換才能達到目的。

定向進化技術是蛋白質工程的新策略，它是在不需要事先了解蛋白質空間結構的情況下通過模擬自然進化機制，以改進的誘變技術結合確定進化方向的選擇方法。因此它能解決合理設計所不能解決的問題，在生產中的應用越來越受到重視。定向進化是在待進化蛋白質基因的PCR擴增反應中，利用TaqDNA多聚酶不具有校對功能的性質，配合適當條件，以很低的比率向目的基因中引入突變，構建突變庫，憑借定向選擇方法，選出所需性質的蛋白質。定向進化實際就是隨機突變加上選擇，它與自然進化不同，整個過程都是在人為控制下進行的，并且還可以模擬真核細胞中DNA隨機拼接這一蛋白質進化過程來加速蛋白質的優化。

酶的蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，而且仍需要應用基因工程的全套技術。所不同的是，酶的基因工程主要解決的是酶大量生產的問題，而蛋白質工程則致力于天然蛋白質的改造，制備各種定做的蛋白質，但也要用到基因工程的技術手段。

2.3 酶分子的定點突變法

定點突變需要知道酶蛋白的一級結構及編碼序列，并根據蛋白質空間結構知識來設計突變位點。定點突變技術可以隨心所欲地在已知DNA序列中取代、插入或缺失一定長度的核苷酸片段。該方法與使用化學因素、自然因素導致突變的方法相比，具有突變率高、簡單易行、重復性好的特點。然而，定點突變技術只能對天然酶蛋白中少數的氨基酸殘基進行替換，酶蛋白的高級結構基本維持不變，因而對酶功能的改造較為有限。

3.酶分子改造展望

相對于其它各種功能蛋白質，酶的結構與功能研究還處于幼年期，如何對酶蛋白實施分子改造，使它們的性能得到改善，是具有挑戰性的課題。近年來，隨著抗體酶技術的發展，為酶分子設計提供了一個全新的思路。它打破了化學酶工程和生物酶工程的界限，結合了免疫學、細胞生物學、分子生物學、化學等技術，制備出具有高度專一性及特殊催化活力的新型催化抗體。有資料顯示，隨著新生物工程技術和噬菌體抗體庫技術的發展，將有更先進的重組技術用來直接從抗體庫中篩選催化抗體。endprint