蛋白質(zhì)分子設(shè)計

1、蛋白質(zhì)的分子設(shè)計就是為有目的的蛋白質(zhì)工程改造提供設(shè)計方案。雖然經(jīng)過漫長歲月的進化，自然界已經(jīng)篩選出了數(shù)量眾多、種類各異的蛋白質(zhì)，但天然蛋白質(zhì)只是在自然條件下才能起到最佳功能，在人造條件下往往就不行，例如工業(yè)生產(chǎn)中常見的高溫高壓條件。因而需要對蛋白質(zhì)進行改造，使其能夠在特定條件下起到特定的功能。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計又可按照改造部位的多寡分為三類：第一類為“小改”，可通過定位突變或化學修飾來實現(xiàn)；第二類為“中改”，對來源于不同蛋白的結(jié)構(gòu)域進行拼

2、接組裝；第三類為“大改”，即完全從頭設(shè)計全新的蛋白質(zhì)（denovodesign）。有關(guān)全新蛋白質(zhì)設(shè)計的內(nèi)容請參見文獻，本文不贅述。常見的蛋白質(zhì)工程改造包括提高蛋白的熱、酸穩(wěn)定性，增加活性，降低副作用，提高專一性以及通過蛋白質(zhì)工程手段進行結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究等。由于對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系的了解不夠深入，成功的實例還不很多，因此更需要在蛋白質(zhì)分子設(shè)計的方法學上開展深入研究。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計可分為兩個層次，一種是在已知立體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上所進行的直接將立

3、體結(jié)構(gòu)信息與蛋白質(zhì)的功能相關(guān)聯(lián)的高層次的設(shè)計工作，另一種是在未知立體結(jié)構(gòu)的情形下借助于一級結(jié)構(gòu)的序列信息及生物化學性質(zhì)所進行的分子設(shè)計工作。此處只探討第一類分子設(shè)計，因為在利用三級結(jié)構(gòu)信息的同時也運用了一級結(jié)構(gòu)序列及有關(guān)生化信息，第一類的分子設(shè)計工作實際上已包含了第二類工作，而后者實際上是在不得已的情形下所進行的努力。蛋白質(zhì)分子設(shè)計的過程簡單說來就是首先建立所研究對象的結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究，然后提出設(shè)計方案，通過實驗

4、驗證后進一步修正設(shè)計，往往需要幾次循環(huán)才能達到目的。一般的分子設(shè)計工作可以按以下五個步驟進行：（1）建立所研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型，可以通過X射線晶體學、二維核磁共振等測定結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)類似物的結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)預(yù)測方法建立起結(jié)構(gòu)模型。（2）找出對所要求的性質(zhì)有重要影響的位置。同一家族中的蛋白質(zhì)的序列對比、分析往往是一種有效的途徑。需要認真考慮此種性質(zhì)受哪些因素的影響，然后逐一對各因素進行分析，找出重要位點，這是分子設(shè)計工作的關(guān)鍵。（3）選擇

5、一系列的在（2）中所選出位點上改變殘基所得到的突變體，一方面使蛋白質(zhì)分子設(shè)計理念和分類的基礎(chǔ)上，以Paracelsus挑戰(zhàn)為范例，對蛋白質(zhì)分子設(shè)計原則、方法和過程進行了初步的論述。關(guān)鍵詞蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)分子設(shè)計Paracelsus挑戰(zhàn)中圖分類號：G642.3文獻標識碼：A文章編號：18186539（2009）07（0050）（03）蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是機體細胞的重要組成部分。經(jīng)過漫長歲月的進化，自然界已經(jīng)篩選出了數(shù)量眾多、種類

6、各異的蛋白質(zhì)，但天然蛋白質(zhì)只是在適宜的生理條件下才能很好的發(fā)揮功能，在其他條件下，例如工業(yè)生產(chǎn)中常見的高溫高壓條件，往往不能正常發(fā)揮功能。因而需要對蛋白質(zhì)進行改造，使其能夠在特定條件下發(fā)揮功能。定點突變和PCR技術(shù)的發(fā)展使這種改造成為可能。20世紀80年代初，蛋白質(zhì)工程和蛋白質(zhì)分子設(shè)計應(yīng)運而生。蛋白質(zhì)工程是以結(jié)構(gòu)生物學與生物信息學為基礎(chǔ)，以創(chuàng)造性能更適用的蛋白質(zhì)分子為目的，以基因重組技術(shù)為主要手段，對天然蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造[1]。

7、蛋白質(zhì)分子設(shè)計則是指從頭設(shè)計新的蛋白質(zhì)分子或者在蛋白質(zhì)已知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過適宜的改變來制備新的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計可分為兩個層次：一種是在已知立體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上所進行的直接將立體結(jié)構(gòu)信息與蛋白質(zhì)的功能相關(guān)聯(lián)的高層次的設(shè)計工作；另一種是在未知立體結(jié)構(gòu)的情形下借助于一級結(jié)構(gòu)的序列信息及生物化學性質(zhì)所進行的分子設(shè)計工作。蛋白質(zhì)的分子設(shè)計又可按照改造部位的多寡分為三類：第一類為“小改”，即對已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進行少數(shù)幾個殘基的修飾、替換或刪除

8、等，可通過定位突變或化學修飾來實現(xiàn)；第二類為“中改”，對來源于不同蛋白的結(jié)構(gòu)域進行裁剪拼接組裝；第三類為“大改”，即完全從頭設(shè)計全新的蛋白質(zhì)（denovodesign）[2]。蛋白質(zhì)分子設(shè)計的過程簡單說來就是首先建立所研究對象的結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究，然后提出設(shè)計方案，通過實驗驗證后進一步修正設(shè)計，往往需要幾次循環(huán)才能達到目的。所以蛋白質(zhì)分子設(shè)計是在計算機模擬的基礎(chǔ)上構(gòu)建突變基因，進而獲得突變蛋白質(zhì)產(chǎn)品，然后進行功能驗