酶分子的改造技术

gl19860312

由于酶具有反应专一性、催化效率高及反应条件温和等优点，因此在工业、农业、医药和环保等方面已经得到越来越多的应用。但总体还没有达到大规模应用的程度，其主要原因在于酶自身性质上的一些不足，如不稳定性、对pH的要求严格以及具有抗原性等等。因此，人们希望通过各种方法、按照需要定向地改造酶分子，甚至创造出自然界尚未发现的新酶，从而适合各行各业的需要。
1、改造酶分子的方法
目前改造酶分子的方法主要有两种，即化学修饰法和生物酶工程法。
化学修饰法
用化学方法对酶分子迸行改造，即体外在酶的侧链基团上接上或去掉一些化学基团，从而改变酶的物理化学性质，最后达到改变酶的催化性质的目的。
酶分子的化学修饰法技术较简单。但大多数酶经修饰后，理化及生物学性质会发生改变，因此应根据具体情况选定修饰方法，同时应注意采取一些保护性措施来尽量维持酶的稳定性及得率。
生物酶工程法
酶的化学修饰法并非改造酶的惟一手段。随着人们对酶的深入研究以及氨基酸一级结构的测定、基因重组技术的应用等，可以彻底地改造、合成并且模拟酶。这也就是生物酶工程的主要内容。生物酶工程主要包括基因工程技术生产酶和蛋白质工程技术改造酶两方面内容。
基因工程技术生产酶
自从20世纪70年代重组DNA技术建立以来，人们在很大程度上摆脱了对天然酶的依赖。基因工程的发展使得人们通过克隆可以比较容易地得到许多种天然的酶基因，并使其在微生物中高效表达，再通过发酵技术进行大规模生产。用基因工程方法生产酶可以大大降低酶产品的成本，同时可以使稀有酶的生产变得更加容易。
目前已有100多种酶基因克隆成功，包括尿激酶基因、凝乳酶基因等。其中纤维蛋白溶酶原激活剂和凝乳蛋白酶是应用基因工程获得大量酶的最成功例子。
人纤维蛋白溶酶原激活剂是一类丝氨酸蛋白酶。能使纤维蛋白溶酶原水解产生有活性的纤维蛋白溶酶，溶解血块中的纤维蛋白。临床上用于治疗血栓性疾病，促进体内血栓的溶解。利用工程菌株生产的纤维蛋白溶酶原激活剂在疗效上与人体合成的酶完全一效，目前已用于临床试验。
凝乳蛋白酶是生产乳酪的必需用酶，其来源有限。从微生物中提取的凝乳蛋白酶常会引起乳酪苦味。因此，人们克隆了小牛凝乳酶基因在酵母系统中表达，得到的凝乳酶与从小牛胃中提取的天然酶性质完全一致。
蛋白质工程技术改造酶
是在基因工程的基础上发展起来的，两者对酶工程的贡献有所区别。基因工程主要解决的是酶大量生产的问题，而蛋白质工程主要是修饰（或改造）天然蛋白质，从而获得具有新的功能的酶或创造全新的酶分子。
蛋白质工程改造酶是改变或去掉酶蛋白质一级结构中的某些氨基酸残基，从而改变酶相关的功能，使酶在不影响其他功能的前提下表现出某种新的特性。
目前酶蛋白质工程主要是用于工业用酶的改造，例如，洗衣粉中添加的枯草芽孢杆菌蛋白酶以加强去污能力，但这种酶在漂白剂的作用下易失去活性。现在利用蛋白质工程技术将酶蛋白分子中的氨基酸进行替代，使酶的抗氧化能力大大提高，因而可与漂白剂同时使用。
利用蛋白质工程还可以设计新酶。从目前蛋白质工程发展的水平来说，设计全新的酶还有一定的困难，但随着蛋白质化学、蛋白质晶体学、酶学等相关学科研究的深入，必然会使蛋白质工程发展刭一个更高的层次上。
2、改造酶分子的新思路
近年来，抗体酶的发展为酶分子设计提供了一个全新的思路。它打破了化学酶工程和生物酶工程的界限，结合了免疫学、细胞生物学、分子生物学、化学等技术，制备出具有高度底物专一性及特殊催化活力的新型催化抗体。人们预测，随着新生物工程技术和噬菌体抗体库技术的发展，将有更先进的重组技术用来直接从抗体库中筛选催化抗体。