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第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
蛋白质工程的基本原理是什么？
蛋白质工程已有哪些实际的应用？
本节聚焦
1
2
你见过用细菌画画吗？左图是用发出不同颜色荧光的细菌“画”的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为它们体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
【从社会中来】
蛋白质工程
蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。
随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大的进展。目前，它已经成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。
蛋白质工程概述
1.基因工程的实质及缺陷
①实质：
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
②缺陷：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。
2.蛋白质工程崛起的缘由
②天然蛋白质的缺陷：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
01
蛋白质工程崛起的缘由
①理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
产量提高
赖氨酸含量低
合成时需：
天冬氨酸激酶；
二氢吡啶二羧酸合成酶。
浓度影响酶活性
举例
异亮氨酸
苏氨酸(352位）
异亮氨酸
天冬酰胺(104位)
01
蛋白质工程崛起的缘由
基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而天然蛋白质不一定能满足人类生产生活的需要。
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
352：苏氨酸→异亮氨酸
104：天冬酰胺→异亮氨酸
01
蛋白质工程崛起的缘由
旁栏思考
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？
1.目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。
02
蛋白质工程的基本原理
2020年AlphaFold（源自Google的Deepmind团队，曾设计过阿尔法狗）可实现精准预测蛋白质的三维结构
2.天然蛋白质合成过程：按照中心法则
课堂活动：请同学在草稿纸上写出中心法则
提醒：蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能。
3.基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
02
蛋白质工程的基本原理
思考：与中心法则的关系？
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考 讨论——蛋白质工程基本思路的应用
讨论
1．怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。
2．确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考 讨论——蛋白质工程基本思路的应用
讨论
1．怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
进一步推知脱氧核苷酸序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考 讨论——蛋白质工程基本思路的应用
讨论
2．确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
提示：人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
学科交叉
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
医药工业方面
速效胰岛素类似物研发
可长期保存的干扰素
人鼠嵌合抗体
速效胰岛素（赖脯胰岛素注射液，B28脯氨酸与B29赖氨酸交换位置）
β-干扰素氨基酸序列（源自Genbank）
三个半胱氨酸易发生二硫键错配，将17位半胱氨酸替换为丝氨酸，可提高稳定性
03
蛋白质工程的应用
其它工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶，如适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶
农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶
设计微生物农药
03
蛋白质工程的应用
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
03
蛋白质工程的应用
异想天开
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
课外实践——BLAST比对
用人血红蛋白α-1的基因序列搜索人和小鼠基因组

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