第13章　蛋白质工程

【本章简介】　蛋白质工程是在重组DNA技术应用于蛋白质结构与功能研究之后发展起来的一门新兴学科。所谓蛋白质工程，就是通过对蛋白质已知结构和功能的了解，借助计算机辅助设计，利用基因定点诱变等技术，特异性地对蛋白质结构基因进行改造，产生具有新特性的蛋白质的技术。蛋白质工程是在遗传工程取得的成就的基础上，融合蛋白质结晶学、蛋白质动力学、计算机辅助设计和蛋白质化学等学科而迅速发展起来的一个新兴研究领域，它开创了按照人类意愿设计制造符合人类需要的蛋白质的新时期，因此，被誉为“第二代遗传工程”。蛋白质工程的出现，为认识和改造蛋白质分子提供了强有力的手段。

牛胰岛素是一种蛋白质分子，它的化学结构于1955年由英国科学家Sanger测定、阐明，即牛胰岛素分子是一条由21个氨基酸组成的A链和另一条由30个氨基酸组成的B链，通过两对二硫链联结而成的一个双链分子，而且A链本身还有一对二硫键。1965年我国率先人工合成结晶牛胰岛素，且其结晶形状和酶切图谱与天然物相同。人工合成结晶牛胰岛素是科学上的一次重大飞跃，它标志着人工合成蛋白质时代的开始，是生命科学发展史上一个新的重要里程碑。1978年，美国Hutchison使用了Lederberg于1960年推荐使用的寡脱氧核糖核苷酸作为体外诱变剂，成功地实现了定位突变（site-directed mutagenesis）试验，培育出多种具有生物学特性的突变株。1981年，美国Gene公司厄尔默（K.Ulmer）则将此定位突变试验冠以“蛋白质工程”（protein engineering）。经过多年的发展，蛋白质工程已经成为生命科学中的一个重要分支，它通常指通过蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究获取关于蛋白质物理、化学等方面的信息，在此基础上对编码该蛋白质的基因进行有目的的设计改造，并通过基因工程等手段将其进行表达和分离纯化，最终将其投入实际应用。蛋白质工程在食品、医药、工业等方面取得巨大成果。比如，抗体不仅在哺乳动物机体中担负着重要的体液免疫功能，还在医学、生物学免疫诊断中被广泛地应用。已证明了抗体是一类免疫球蛋白，并相继阐明了抗体产生及其多样性的细胞和分子机制，使免疫学研究成为生命科学前沿领域。同时抗体的制备技术也经历着一次又一次革命，由血清抗体到杂交瘤单克隆抗体，再到基因工程抗体库技术，可谓日新月异。

蛋白质工程研究在过去的30余年间发展迅速，已取得一批较好成果，并开始应用于医学、农业、轻工等各个领域，产生了较大的经济和社会效益。2000年，人类基因组的工作草图宣告完成，标志着人类跨进21世纪历史新纪元之际，生命科学也迎来了一个崭新的时代，即后基因组时代（post-genome era）。在后基因组时代，生物学的中心任务是揭示基因组及其所包含的全部基因的功能，并在此基础上阐明生命体的遗传、进化、发育、生长、衰老和死亡的基本生物学规律，以及与人类健康和疾病相关的生物学问题。由于基因的功能最终总是通过其表达产物蛋白质来实现的，因此，在人类基因组测序之后进一步集中研究蛋白质的结构及功能，是揭示基因组功能，阐释生命体重要生命活动规律和生命现象本质的基本途径，也是阐释疾病发生与发展的分子机理进而战胜疾病的重要途径。而研究蛋白质的结构和功能，并在此项研究基础上人工改造蛋白质的结构，获得我们所需要的活性蛋白质，正是蛋白质工程的主要任务和目标。