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中国生物工程杂志

第24卷第8期CHINABIOTECHNOLOGY2004年8月

酶的分子设计、改造与工程应用

朱俊晨1,2王小菁2

(1深圳职业技术学院生物工程系深圳5180552华南师范大学生命科学院广州510641)

摘要酶工程的研究已经发展到分子水平,在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子

结构与功能,大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率,生产有价值的非天然酶。对酶工程学若

干“热点”和前沿课题的研究、应用进行了概述,分析了国际上酶工程研究及应用技术、手段、方

法,包括体外分子进化、核酶和抗体酶的设计、酶分子的定向固定化技术、酶蛋白分子的化学修

饰、融合酶、人工合成及模拟酶等技术,并展望了酶工程的技术进步和应用的新进展。

关键词酶工程蛋白质工程分子设计

酶,一大类以蛋白质为主体的生物催化剂,具

1酶分子的定向改造和进化

有在常温常压和近中性pH等温和条件下,高效率

(

地进行区域或对映体选择性催化的特点。迄今,从酶分子设计可以采用定点突变siteddirected

生物界已发现和定性了近3000种酶,分属氧化还mutagenesis)和体外分子定向进化(invitro

原、转移、水解、裂合、异构、连接六大酶类,对许多moleculardirectedevolution)两种方式对天然酶分子

酶的纯化、结构、功能、动力学性质获得了深入了进行改造[1]。定点突变需要知道酶蛋白的一级结

解。随着对其不断深入的认识和社会发展的实际构及编码序列,并根据蛋白质空间结构知识来设计

需求,酶的应用范围已遍及食品工业、农业、医药卫突变位点。体外定向进化是近几年新兴起来的一

生行业、环保、能源开发和生命科学等各个方面。种蛋白质改造新策略,它可以在尚不知道蛋白质的

但在粗放的工业条件下,例如高温、高压、重金属离空间结构,或者根据现有的蛋白质结构知识尚不能

子、氧化剂、极端pH等,天然酶常常会遭到破坏,进行有效的定点突变时,借鉴实验室手段在体外模

()

从而使酶的生产和使用受到极大限制。目前工业拟自然进化的过程随机突变、重组和选择,使基

上直接利用酶制剂时还存在一些缺点,如稳定性因发生大量变异,并定向选择出所需性质或功能,

差、使用效率低,不能在有机溶剂中使用,寿命不长从而使几百万年的自然进化过程在短期内得以

等,造成了使用酶的成本升高。近年来,特别是随实现。

()11定点突变

着蛋白质工程的proteinengineering应用,即把分

子生物学、结构生物学、计算生物化学结合起来,根定点突变技术可以随心所欲地在已知DNA序

据蛋白质结构与功能关系的知识,经过计算机辅助列中取代、插入或缺失一定长度的核苷酸片段。该

的分子设计,按照人类的需要,产生性能优良的酶方法与使用化学因素、自然因素导致突变的方法相

分子,本文根据国际酶工程研究和国内外酶工程产比,具有突变率高、