基因工程在蛋白質(zhì)方面的應(yīng)用

基因工程定義：通過(guò)將外源基因通過(guò)體外重組后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，從而使這個(gè)基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的——DNA提取出來(lái)，在離體條件下用適當(dāng)?shù)墓ぞ呙高M(jìn)行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來(lái)，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長(zhǎng)、繁殖的受體細(xì)胞中，以讓外源物質(zhì)在其中進(jìn)行正常的復(fù)制和表達(dá)，從而獲得新物種的一種嶄新技術(shù)。原理：基因重組應(yīng)用：1在生產(chǎn)領(lǐng)域，人們可以利用基因技術(shù)，生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因食品二、在環(huán)境保護(hù)上基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測(cè)環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。三、 在醫(yī)療方面基因治療即是基因工程的一種技術(shù)方法。此外運(yùn)用“DNA探針”檢測(cè)肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準(zhǔn)確而且迅速，在醫(yī)療上也應(yīng)用廣泛，四、 在基因工程藥物的研究方面將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問(wèn)題，還能大大降低生產(chǎn)成本。蛋白質(zhì)工程的研究進(jìn)展及前景展望由于基因工程的發(fā)展，人們已經(jīng)可以運(yùn)用基因重組等理論和方法去設(shè)計(jì)并制造出預(yù)想的各種性能的蛋白質(zhì)。這種改變蛋白質(zhì)的操作可以在蛋白質(zhì)水平上，也可以在基因水平上。如基因水平的改變，是在功能基因開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，小到可改變一個(gè)核苷酸，大到可以加入或消除某一結(jié)構(gòu)的編碼序列。蛋白質(zhì)水平的改變則主要是對(duì)制造出的蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、修飾，如磷酸化、糖基化等。蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾條件劇烈，無(wú)專(zhuān)一性，而基因操作則比較方便，在實(shí)施基因操作時(shí)，必須預(yù)先知道是哪個(gè)氨基酸或哪幾個(gè)氨基酸影響著蛋白質(zhì)的性狀。就現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展水平看，大量新蛋白質(zhì)通過(guò)檢測(cè)，來(lái)確定改變的蛋白質(zhì)是否具有預(yù)期的性狀，技術(shù)上已是可行的。2.2定點(diǎn)突變技術(shù)目前，在蛋白質(zhì)工程中最常采用的技術(shù)是定點(diǎn)誘變技術(shù)，即在特定的位點(diǎn)改變基因上核苷酸的種類(lèi)，從而達(dá)到改變蛋白質(zhì)性狀的目的。蛋白質(zhì)工程發(fā)展至當(dāng)代，利用專(zhuān)一改變基因中某個(gè)或某些特定核苷酸的技術(shù)，可以產(chǎn)生具有工業(yè)上和醫(yī)藥上所需性狀的蛋白質(zhì)。一般來(lái)講對(duì)蛋白質(zhì)所作的改造包括增強(qiáng)酶蛋白的催化能力、穩(wěn)定性、專(zhuān)一性以及改善酶2.1分子設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的反應(yīng)條件等幾個(gè)方面，已為其大規(guī)模的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。果。山西煤化所從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行了鐵基催化劑F-T合成生產(chǎn)燃料油的間接液化技術(shù)研究及工程開(kāi)發(fā)。近年來(lái)他們又著手研究開(kāi)發(fā)了國(guó)際上較為先進(jìn)的漿態(tài)床合成油的關(guān)鍵技術(shù)。中科院也積極與各國(guó)聯(lián)合在國(guó)內(nèi)進(jìn)行可行性研究和考察，還與山西省政府簽署了發(fā)展大型煤炭液化合成油的工業(yè)示范。用煤炭資源來(lái)代替石油能源是一種發(fā)展趨勢(shì)。煤炭液化生產(chǎn)將成為重點(diǎn)，現(xiàn)在成熟的煤炭液化技術(shù)雖然不少，但就簡(jiǎn)化操作條件，降低成本還需前瞻性統(tǒng)籌安排，優(yōu)先發(fā)展，以保證我國(guó)能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，避免造成決策失誤和重大經(jīng)濟(jì)損失。1蛋白質(zhì)工程的由來(lái)和目標(biāo)蛋白質(zhì)工程是在基因工程沖擊下應(yīng)運(yùn)而生的?；蚬こ痰难芯颗c開(kāi)發(fā)是以遺傳基因，即脫氧核糖核酸為內(nèi)容的。這種生物大分子的研究與開(kāi)發(fā)誘發(fā)了另一個(gè)生物大分子蛋白質(zhì)的研究與開(kāi)發(fā)。這就是蛋白質(zhì)工程的由來(lái)。它是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾和基因合成對(duì)現(xiàn)存蛋白質(zhì)加以改造，組建成新型蛋白質(zhì)的現(xiàn)代生物技術(shù)。這種新型蛋白質(zhì)必須是更符合人類(lèi)的需要。因此，有學(xué)者稱(chēng)，蛋白質(zhì)工程是第二將克隆代基因工程。其基本實(shí)施目標(biāo)是運(yùn)用基因工程的DNA重組技術(shù)，后的基因編碼加以改造，或者人工組裝成新的基因，再將上述基因通過(guò)載體引入挑選的宿主系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行表達(dá)，從而產(chǎn)生符合人類(lèi)設(shè)計(jì)需要的“突變型”蛋白質(zhì)分子。這種蛋白質(zhì)分子只有表達(dá)了人類(lèi)需要的性狀，才算是實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)。蛋白質(zhì)工程應(yīng)用研究進(jìn)展當(dāng)前，蛋白質(zhì)工程修飾、改造的蛋白質(zhì)為數(shù)不算多，但進(jìn)展較快。隨著基因組測(cè)序的國(guó)際聯(lián)合行動(dòng)的快速進(jìn)展，也帶來(lái)并已出現(xiàn)了蛋白質(zhì)高速發(fā)展的新階段。3.1在醫(yī)藥方面許多蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是設(shè)法提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。在酶反應(yīng)器中可延長(zhǎng)酶的半衰期或增強(qiáng)其熱穩(wěn)定性，也可以延長(zhǎng)治療用蛋白質(zhì)的貯存壽命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在這個(gè)領(lǐng)域已取得了一些重要研究成果。用蛋白質(zhì)工程來(lái)改造特殊蛋白質(zhì)為制造特效抗癌藥物開(kāi)辟了新一但在它們途徑。如人的P干擾素和白細(xì)胞一2是兩種抗癌作用的蛋白質(zhì)。的分子結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)不成對(duì)的基因，是游離的，因而很不穩(wěn)定，會(huì)使蛋白質(zhì)失去活性。當(dāng)通過(guò)蛋白質(zhì)工程修飾這種不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就可以提高這兩種抗癌物質(zhì)的生物活性。美國(guó)的Cetus公司成功地修飾了這兩種治療癌瘤的蛋白質(zhì)，大大提高了它們的穩(wěn)定性，已用于臨床試驗(yàn)并取得了良好的效果。具有抗癌作用的蛋白質(zhì)工程產(chǎn)品免疫球蛋白質(zhì)是一種高效治癌藥物，它能成為征服癌癥的“生物導(dǎo)彈”即具有對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)殺死特定癌，細(xì)胞而不傷害正常細(xì)胞的特效。近年來(lái)，澳大利亞醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所的一個(gè)微生物研究課題組經(jīng)過(guò)多年的研究后發(fā)現(xiàn)了激發(fā)基因開(kāi)始或停止產(chǎn)生癌細(xì)胞的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)在癌細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)癌基因起著開(kāi)通或關(guān)閉的作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于通過(guò)蛋白質(zhì)工程研制鑒別與控制多種類(lèi)型的血液癌、固體癌的蛋白質(zhì)有很好的作用，并為診斷和治療癌癥提供了新的方法。目前，應(yīng)用蛋白質(zhì)工程研究開(kāi)發(fā)抗癌及抗艾滋病等重大疑難病癥等方面，均取得了重大進(jìn)展。1(ATT)。運(yùn)用此工程另?yè)?jù)實(shí)驗(yàn)，蛋白質(zhì)工程還可以改變a抗胰蛋白可以與嗜中性白細(xì)胞彈性技術(shù)在ATT的Met358和Ser359之間切開(kāi)后，蛋白酶迅速結(jié)合而引發(fā)抑制作用。在病理學(xué)的氧化條件下可導(dǎo)致Met358變成蛋氨酸硫氧化物使ATT不可能與彈性蛋白酶的彈性位點(diǎn)相結(jié)合。通Met358被Vai代替就成為抗氧化療法的AAT突變體。過(guò)位點(diǎn)直接誘變，含AAT突變體的血漿靜脈替代療法已經(jīng)用于AAT產(chǎn)物基因缺陷疾病患者的治療，并已取得明顯療效。3.2在農(nóng)業(yè)方面蛋白質(zhì)工程正在成為改造農(nóng)業(yè)，大幅度提高糧食產(chǎn)量的新途徑。如植物光合作用是利用白光能將二氧化碳轉(zhuǎn)化成貯成能量淀粉，在植物葉片中普遍存在著一種重要的起催化作用的酶，它能固定住二氧化碳，這它既能固定二種酶叫核酮糖一1.5一二磷酸羧化酶。而這種酶具有雙重性：氧化碳，又會(huì)使二氧化碳在光照條件下通過(guò)光呼吸作用損失一半，即光合效率只有50%?，F(xiàn)在。這種酶的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)搞清楚了。參與研究的工作人員認(rèn)為，可以通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造這種酶，控制其不利于人需要的一面，從而大大提高其光合作用效率，增加糧食產(chǎn)量。近年來(lái)，美國(guó)坎布里奇的雷普里根公司的科研人員立題，以蛋白質(zhì)工程作為設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥的新思路，他們實(shí)施對(duì)微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，僅此一舉，使微生物農(nóng)藥的殺蟲(chóng)率提高了10倍。3.3在工業(yè)方面蛋白質(zhì)工程在工業(yè)上的應(yīng)用取得的成果亦是很多?，F(xiàn)以改變酶的動(dòng)力學(xué)特性研制出高效除污酶為例說(shuō)明其應(yīng)用價(jià)值。酶的動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律為：一(S)(ES)(E)=酶+產(chǎn)物(P)酶(E)底物=酶一底物復(fù)合物在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中有4個(gè)速率常數(shù)：E—S=ES=E+P在穩(wěn)態(tài)階段，形成速率與分解速率相等，這個(gè)速率就是KmES（Michaelis常數(shù)）。在數(shù)值上，m等于達(dá)到最大速率一半時(shí)的底物濃度。KVmax常在反應(yīng)的初始階段測(cè)定，反應(yīng)進(jìn)行中產(chǎn)物濃度將增加，高濃度的底物會(huì)抑制酶活性。在底物低濃度時(shí)，酶的Km是關(guān)鍵的作為去污劑參數(shù)。如在枯草桿菌蛋白酶的活性位點(diǎn)內(nèi)有一個(gè)Met殘基，的一種組分，該酶要置于氧化條件下使用。利用位點(diǎn)直接誘變，用其他19種氨基酸的任何一種取代這個(gè)Met，這些突變酶在活性方面大不相同，除其他突變酶的活性都下降，Km值提高。而含了CYS代替Met的突變酶外，Ala的突變酶在1mol/LH2O中不失活，而不可氧化氨基酸（如Cer，或Len）Net和CYS酶則迅速失活。研究者正是根據(jù)突變酶的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)確定枯草蛋白酶在去污劑中的應(yīng)用，以提高其除污效率，加強(qiáng)去污作用。另外，美國(guó)、日本等國(guó)家的科學(xué)工作者利用蛋白質(zhì)工程研制生物元件來(lái)取代“硅芯片”研制生物計(jì)算機(jī)，，開(kāi)發(fā)生物傳感器的蛋白質(zhì)都取得了重大進(jìn)展。還有利用蛋白質(zhì)（酶）生產(chǎn)模仿羊毛、蠶絲、蜘蛛絲，其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，均是蛋白質(zhì)工程取得的應(yīng)用性研究成果。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，現(xiàn)在已對(duì)探索環(huán)境保護(hù)，控制和進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)控制遺傳，改造生物設(shè)計(jì)與DNA相互