大数据时代杂合酶的设计及其新趋势

酶分子的高效性和稳定性是工业广泛应用的物质基础。利用分子生物学技术可以将不同酶分子通过串联、插入、翻译后融合等方式构建成符合工业需求的杂合酶,但应用中多结构域杂合酶在表达量与酶活等方面仍存在弊端,而基于特定蛋白质结构域的多功能设计成为新趋势。高通量测序技术的发展,使得生物学家正面临着爆炸式增长的大数据集。近年来"蛋白质功能区"概念的提出,拓宽了人们对蛋白质结构与功能组织层次的认知,功能区残基聚簇的协同演化可导致同一家族不同蛋白质功能的差异。基于海量大数据分析可以快速定位特定功能区以及协同进化的关键位点,再利用合成生物学技术就可实现多种功能残基在同一蛋白质中的精准嫁接,完成天然酶分子的再设计。这将是杂合酶技术发展的新阶段,也会成为生物大数据时代下蛋白质设计的新趋势。     

工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

饲料用酶制剂的研究进展与趋势

饲料用酶目前已成为世界工业酶产业中增长速度最快、势头最强劲的一部分。畜牧业开发应用饲料用酶制剂有着重大意义:可缓解饲料资源短缺、人畜争粮的局面,有利于保障粮食安全;提供更为安全、优质的动物产品,有利于保障食品安全;减轻环境污染,保障养殖业的可持续发展。饲料用酶的应用效果已在世界范围内得到公认,但酶的使用量还较低,其主要原因在于饲料用酶的性质难以满足饲料工业的要求,以及饲料用酶表达量低,生产成本较高。因此,目前的研发趋势主要体现在:1)饲料用酶基因资源的高通量筛选技术,尤其是特殊环境微生物和未培养微生物中的基因资源;2)酶蛋白的分子改良技术,利用蛋白质工程技术定向改良,创造具有优良特性的酶蛋白质分子,进一步提高饲料用酶的应用性能;3)饲料用酶高效表达和生产技术;4)饲料用酶的应用效果快速评估技术和配套应用技术体系。     

蛋白质酶功能分析和预测方法的进展和前瞻

蛋白质酶是生物体内最重要的生物分子之一。对酶的功能进行系统研究具有重要的科学研究价值和工业应用意义,近年来,以计算机技术为基础的酶功能预测的方法不断发展与完善。基于此背景,本文总结了基于计算方法的酶功能分析与预测的主要方法,包括酶结合位点、分子对接、动力学模拟以及分子设计等内容。同时,本文也对相应的发展趋势进行讨论和展望。     

“大豆分离蛋白”工艺用复合酶制剂的研究

大豆分离蛋白的碱浸提酸沉淀工艺,目前普遍存在蛋白质回收率低,分离蛋白成品得率低,纯度低的问题,利用复合酶制剂的作用可改变这一状况。针对工艺需要,从十余种工业酶制剂中筛选出两种蛋白酶活低、多糖降解酶活高的酶制剂;Ａｎ－７６半纤维酶和果胶酶ｕｌｔｒａｚｙｒｍ＾ＴＭ。对两种酶制剂的酶活组分、主体酶的部分酶学性质,以及酶的用量与蛋白质浸出率的关系等方面进行了大量基础实验。经优化实验确定了复合酶制剂的复配比     

锰过氧化物酶(MnP)的研究进展

综述了国内外锰过氧化物酶（MnP)研究的最新动态。MnP是一种含有血红素的过氧化物酶,仅在白腐菌中发现。从产生MnP的微生物、MnP对Mn^2 的依赖性、催化机制、蛋白质研究进展、基因结构和基因表达的研究以及工业应用前景方面进行了系统概述。     

超嗜热古菌的ATP非依赖型蛋白酶和肽酶研究进展

蛋白酶和肽酶在超嗜热古菌的营养代谢、蛋白质转换与加工以及蛋白质质量控制等重要生物学过程中发挥关键作用。超嗜热古菌蛋白酶和肽酶具有优良的热稳定性和高温活性,是研究蛋白质耐热分子机制和酶行使功能上限温度等科学问题的理想材料,同时也具有重要的工业应用价值。本文对超嗜热古菌的ATP非依赖型蛋白酶和肽酶的种类、功能、催化特性、热稳定机制以及应用前景进行综述与分析。     

蛋白质交联用酶的作用机制及研究进展北大核心CSCD

蛋白质交联在食品、化工和医药等领域发挥重要的作用。利用酶催化蛋白质交联是一种可替代物理和化学交联的高效经济的方法。然而,目前仍缺乏详细的酶促蛋白质交联分子层面的解析。本文综述了酶催化的蛋白质交联反应机制及其对蛋白质结构的影响,以及在食品、化工和医药领域的应用,并展望了酶促交联的发展。     

丝状真菌蛋白质组学研究进展

丝状真菌不仅是致病菌,而且在异源表达工业酶、化学制品以及药物活性物质中发挥着越来越重要的作用。随着人类基因组计划的实施和推进,生命科学研究已进入了功能基因组时代,特别是蛋白质组学,在蛋白质水平对丝状真菌细胞生命过程中蛋白质功能和蛋白质之间的相互作用以及特殊条件下的变化机制进行研究,对生命的复杂活动进行深入而又全面的认识也为丝状真菌工业酶制剂和重组药物的开发提供广阔的创新空间。本文综述了蛋白质组学的研究内容和方法,总结了其在丝状真菌致病菌、抗生素产生菌和纤维素酶产生菌中的应用现状。不同层次的功能基因组学分析可以从各个角度掌握生物体的代谢网络和调控机制,本文还对蛋白质组学以及功能基因组学各部分内容的整合运用进行了展望。     

工业真菌高效产酶突变技术与高产机制

工业真菌是酶制剂的重要生产微生物,其菌种改良具有重要应用价值。综述了产酶工业真菌的应用、突变育种技术进展和高效产酶机制的分析策略,尤其是基于组学水平的基因组、转录组和蛋白质组的分析等,最后总结了高产机制在菌株改良上的应用。     

微生物脂肪酶稳定性研究进展

脂肪酶广泛应用于食品、药物、生物燃料、诊断、生物修复、化学品、化妆品、清洁剂、饲料、皮革和生物传感器等工业领域,微生物脂肪酶是商品化脂肪酶的重要来源。高温、酸性、碱性和有机溶剂等恶劣的工业生产环境使得脂肪酶的进一步工业应用受到限制,获取稳定性好的脂肪酶成为打破这一限制的关键环节。本文重点对提高微生物脂肪酶稳定性的策略进行了综述:挖掘极端微生物脂肪酶资源;利用定向进化、理性设计和半理性设计等蛋白质工程策略改造脂肪酶;利用物理吸附、封装、共价结合和交联等酶的固定化技术提高脂肪酶的稳定性;利用物理/化学修饰、表面展示以及多种改良策略相结合提高脂肪酶的稳定性。结合作者前期对酶工程的研究发现,新型酶催化剂的获得应该基于明确的设计思路,结合多种改造方法,基于定向进化-理性设计、定向进化-半理性设计、蛋白质工程-酶的固定化、蛋白质工程-物理/化学修饰、酶的固定化-物理/化学修饰等组合改造,比单一的改造方法具有更高的效率。     

“微生物发酵法生产谷氨酰胺转胺酶”通过鉴定

具有“2 1世纪超级粘合剂”美称的谷氨酰胺转胺酶 (蛋白质 谷氨酸 γ 谷氨酰胺转移酶 ,ＥＣ2 .3 .2 .1 3 ) ,是一种可生产出满足人们需求的新型蛋白食品的重要酶制剂。它能够催化蛋白质分子内的交联、分子间的交联、蛋白质和氨基酸之间的连接以及蛋白质分子内谷氨酰胺酰基的水解 ,因而在食品工业、化妆品工业和制药工业中具有广泛的用途。源于动物的谷氨酰胺转胺酶价格较高 ,采用发酵法生产可望大幅度降低其生产成本 ,故而是拓宽谷氨酰胺转胺酶应用范围的根本途径。在日本 ,谷氨酰胺转胺酶已成为食品工业的第二大酶种 ,其用量仅次于α 淀粉…     

稀土元素对生物体蛋白质的剂量效应研究进展

随着稀土元素广泛地应用到农业、工业、医药、卫生等方面 ,人们越来越关心稀土对生物体的健康影响。最近有人提出稀土矿区儿童智商明显低于非稀土区儿童智商[1] ,这可能与一定浓度的稀土元素与体内蛋白质或酶结合 ,改变了蛋白质或酶的构象 ,影响蛋白质功能或酶的活性 ,进而间接影响到大脑的能量供应有关。因此 ,本文试从一定剂量的稀土元素对ＣａＭ、ＡＴＰ酶、同工酶及其它蛋白质和酶的影响等方面阐述稀土元素对蛋白质的剂量效应及其机理。1　对ＣａＭ的影响钙调蛋白 (ＣａＭ)是一种普遍存在的多功能的钙结合蛋白[2 ] ,含 15 0个氨基酸残基…     

中国酶工程的兴旺与崛起

酶工程是生物工程的重要组成部分,工业生物催化技术被认为是继医药、农业之后的第三个浪潮。在25年中,中国在酶工程领域研究中取得很大进展,本综述集中介绍在中国酶工程会议上,酶的基因工程、酶的蛋白质工程、生物合成、微生物转化和生物传感器方面的成果和我国酶制剂工业的进展。     

酶分子化学修饰研究进展

酶是高效生物催化剂,在工业和临床医药上应用广泛。但由于酶是蛋白质,稳定性差,且在生物体内有较强的免疫原性,因而严重制约了其应用。对酶分子进行化学修饰是提高其稳定性和降低免疫原性的有效途径。简要介绍几种改进酶催化特性的方法、酶分子修饰效果的分析与评价、酶通过化学修饰获得的新性质及其原理、酶化学修饰的研究动态等。     

部分改变酶的结构,热稳定性提高5百倍

大阪大学工学院合叶修一教授研究组用基因工程法将构成酶的一部分氨基酸改换为别的氨基酸,可提高酶的热稳定性达5百倍。这个技术除了可在工业上应用外,还可制造出自然界没有的、具有新功能的蛋白质。这给所谓蛋白质工程增添了一种手段而引人注目。     

麻疯树脂酶全长基因克隆、表达及其蛋白质结构预测

脂酶(Lipase, EC3.1.1.3)是普遍应用于皮革、饲料及生物柴油工业的工业酶制剂, 具有广泛的应用价值。目前对植物来源的脂酶研究较少。本研究用在生物柴油中具有应用前景的油料植物——麻疯树(Jatropha curcas)作为研究对象, 克隆了该物种的脂酶基因(JcLIP)。通过多序列比对并结合物种的亲缘关系设计了具有较高特异性的简并引物, 通过使用RT-PCR和RACE技术, 最终获得了麻疯树脂酶基因的全长序列并成功地在大肠杆菌中表达, 酶活测定结果表明, 麻疯树脂酶在大肠杆菌中表达在包涵体中, 但是能产生具有活力的蛋白质, 酶活约为0.8 U.mL-1。结构预测和比较表明, JcLIP蛋白质具有脂酶的结构核心和催化活性中心, 而在非核心区具有较毛霉脂酶更多的插入和随机卷曲, 这可能是决定二者之间酶活差异的重要原因。     

麻疯树脂酶全长基因克隆、表达及其蛋白质结构预测

脂酶(Lipase,EC3.1.1.3)是普遍应用于皮革、饲料及生物柴油工业的工业酶制剂,具有广泛的应用价值。目前对植物来源的脂酶研究较少。本研究用在生物柴油中具有应用前景的油料植物——麻疯树(Jatrophacurcas)作为研究对象,克隆了该物种的脂酶基因(JcLIP)。通过多序列比对并结合物种的亲缘关系设计了具有较高特异性的简并引物,通过使用RT-PCR和RACE技术,最终获得了麻疯树脂酶基因的全长序列并成功地在大肠杆菌中表达,酶活测定结果表明,麻疯树脂酶在大肠杆菌中表达在包涵体中,但是能产生具有活力的蛋白质,酶活约为0.8U.mL-1。结构预测和比较表明,JcLIP蛋白质具有脂酶的结构核心和催化活性中心,而在非核心区具有较毛霉脂酶更多的插入和随机卷曲,这可能是决定二者之间酶活差异的重要原因。     

黄素依赖型卤化酶的结构特点及工程改造*

卤化物是通过卤化酶催化卤族元素在有机化合物上特定位置发生取代形成的一类化合物,具有独特的生理生化作用。黄素依赖型卤化酶具有良好的区域选择性,虽然有相似的黄素分子的结合位点,但在底物结合方面略有不同,对其结构和合成途径及结合蛋白质工程的随机诱变和定向改造的研究在工业应用中至关重要。讨论了具有高区域选择性的黄素依赖型卤化酶的结构特点及工程改造,以及经过工程改造后黄素依赖型卤化酶在工业生产中的应用。     

UTH1基因破坏提高重组酿酒酵母分泌β-葡萄糖苷酶

异源蛋白质分泌效率低限制了重组酿酒酵母的多种药用蛋白和工业酶生产。挖掘促进蛋白质生物合成和分泌的关键基因,是提高异源蛋白质生产效率的重要手段。酿酒酵母细胞壁完整性影响异源蛋白质分泌,本研究利用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,破坏了重组酿酒酵母Y294-BGL1中参与细胞壁合成的未知功能基因UTH1,发现所获得的突变体胞外β-葡萄糖苷酶酶活比出发菌株提高112.9%,而细胞壁完整性下降。对促进产酶的分子机理进行探索,发现突变体产酶条件下与细胞壁完整性相关的关键基因和与蛋白质分泌途径相关的基因转录出现明显差异,提示UTH1基因破坏不仅影响细胞壁完整性关键基因的表达,也影响蛋白质分泌途径。本文的研究结果有助于深入理解UTH1的基因功能,并为构建异源蛋白质高分泌酵母菌株提供了借鉴。