分子酶工程学研究进展

酶工程的研究已经发展到分子水平,通过基因操作,已实现了许多酶的克隆和表达。定点突变成为研究酶结构与功能的常规手段,并被广泛用于改善酶的性能。体外分子进化方法则大幅提高了酶分子的进化效率,并有可能发展新功能酶。融合蛋白技术的发展使构建新型多功能融合酶成为可能。这里对分子酶工程学的研究与发展情况进行了综述。      

融合酶构建技术在酶的改性以及多功能酶的构建方面的应用

融合酶技术是酶的改造技术之一。应用融合酶技术还可以创造出多功能的新酶,这些新酶有望应用于食品、化工等领域。目前研究表明,融合酶在低聚糖制备,生物燃料,生物材料,氨基酸发酵以及生物传感器等领域极具应用前景。融合酶的构建技术有理性设计和非理性设计,这两种技术各有利弊。整理了近年融合酶在以上领域中的研究成果,对融合酶的工业应用进行讨论。     

基于融合双亲短肽提高葡萄糖氧化酶的热稳定性

葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase,简称GOD)可氧化葡萄糖生产葡萄糖酸及其衍生物,在新型无抗饲料添加剂的开发中具有良好的应用潜力,但其生产加工过程中尚存在热稳定差的瓶颈问题。本研究采用融合双亲短肽技术提高葡萄糖氧化酶的热稳定性,分别选取8种不同氨基酸长度、不同Linker连接的双亲短肽(Self-assembling peptides,SAPs)融合至黑曲霉来源的葡萄糖氧化酶的N端,构建了8种融合型酶SAP1-GS-GOD、SAP1-PT-GOD、SAP2-PT-GOD、SAP3-PT-GOD、SAP4-PT-GOD、SAP5-PT-GOD、SAP6-PT-GOD、SAP7-PT-GOD,并在毕赤酵母GS115中异源表达。获得的连接PT Linker的融合酶在60℃下孵育60 min后的相对酶活均高于初始酶。其中,融合酶SAP5-PT-GOD在60℃下孵育30 min的相对酶活为67%,是相同处理条件下初始酶相对酶活的10.9倍。同时,融合酶SAP1-PT-GOD、SAP2-PT-GOD、SAP3-PT-GOD、SAP5-PT-GOD的K_(cat)/K_m值较初始酶均有进一步的提高。研究表明,在葡萄糖氧化酶的N端融合以PT为Linker的目标双亲短肽能有效提高葡萄糖氧化酶的热稳定性,通过对融合酶分子内作用力进行分析,酶分子内氢键的增加对融合酶热稳定性的提高效果最为显著。上述研究获得的热稳定性提高的融合葡萄糖氧化酶及其效果机制分析对提高酶在加工和应用过程中的活性具有重要的研究意义和应用价值。     

分子酶工程的研究进展

随着基因工程和蛋白质工程的进展和应用,酶工程在分子水平上的研究与应用也得到了迅猛发展。本着重介绍了酶基因克隆与异源表达、酶分子的定向改造和进化、融合蛋白与融合酶、酶的人工模拟(抗体酶、分子印迹技术)和端粒酶,综述了分子酶工程的研究进展、趋势及其应用。     

融合自组装双亲短肽对重组过氧化氢酶酶学性质的影响

[目的]利用融合自组装双亲短肽策略对源自枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的过氧化氢酶KatA进行改性,以强化重组过氧化氢酶在工业中的应用适应性。[方法]将自组装双亲短肽S1vw通过连接肽PT-linker融合在KatA的N端,构建重组质粒pHT254-S1vw-PT-katA,将其与携带天然酶基因的pHT254-katA分别转入枯草芽孢杆菌WB800N中进行分泌表达,之后将分离纯化得到的纯酶进行酶学性质研究。[结果]成功构建出工程菌并将胞外粗酶液通过乙醇沉淀、DEAE阴离子交换层析、疏水层析和凝胶过滤层析4步纯化,最终获得电泳纯的重组酶蛋白。酶学性质研究结果显示,融合酶S1vw-PT-KatA和天然酶KatA的最适反应温度均为30℃,最适反应pH值均为11.0。然而,融合酶在pH 12.0下孵育30 min的相对酶活为77.3%,是相同处理条件下天然酶相对酶活的14.9倍,在65℃和70℃下孵育30 min的相对酶活分别为19.8%和17.5%,是相同处理条件下天然酶相对酶活的1.8倍和1.7倍。此外,融合酶在4℃储存14 d后相对酶活为88.6%,而天然酶仅具有44.3%的相对酶活。同时,融合酶的k_cat/K_m提高到天然酶的2.3倍。[结论]融合自组装双亲短肽S1vw提高了重组过氧化氢酶KatA的pH稳定性、温度稳定性、储存稳定性和催化效率,不仅获得了催化效率和应用适应性改良的重组酶蛋白,为针对过氧化氢酶的进一步分子改造提供了策略参考和实验依据,而且促进了其在工业上的规模化制备和应用。     

血小板生成素双体分子的融合构建、原核表达及其分子结构特性预测

目的：为了研制更稳定、高效、低毒的血小板生成素(TPO),拟设计构建TPO的双体分子(T-T)并在原核中表达,同时预测其融合蛋白的分子结构特性。方法：采用分子克隆方法分别构建TPO单体分子与双体分子的原核表达载体pFT32/TPO和pET32／T-T,并在大肠杆菌中进行表达,以Western blot鉴定表达产物;用生物信息学方法DS Gerie1.1和ProtScale软件,对该融合蛋白的结构特征如电点、柔性、抗原性及亲水性等进行模拟分析。结果：成功构建TPO双体分子pET32／T-T的原核表达载体,并经NcoⅠ和NotⅠ双酶切电泳及测序证实。通过转化origami^TM(DE3)感受态茵及IPTG诱导获得高效表达,其产量在40％以上;Western blot显示表达产物能与抗TPO单克隆抗体特异性结合。对T—T双体分子融合蛋白的结构特性预测表明,其融合蛋白中的两个TPO单体分子等电点、抗原性及亲水性均无显著改变,接头处具有高柔性。与TPO的原始序列相比,T-T的一级结构中有2个氨基酸发生改变,在接头(L)后插入一段34个氨基酸的新序列(N)。此序列具有一定的抗原性和亲水性,呈现B片层结构。结论：本研究所构建表达的TPO单体和T-T双体分子均可在大肠杆菌中获高效表达,T-T双体分子的结构预测符合设计要求,为进一步研究新型T-T双体分子融合蛋白的生物学特性提供了基础。     

酶分子设计常用策略和进展

酶分子的生物学功能很大程度上是由其三维空间结构和所处溶剂环境共同决定的。因此,优化酶分子的结构性质以及探索其性质最优的溶剂环境是改善酶分子功能以及进行理性设计的一个可行途径。从实际应用的角度来看,分子设计方法可以为酶工程提供一种有效的解决方案。目前,酶分子设计有两个重要的研究方向,包括提高酶分子的催化活力和优化其稳定性。同时,对酶分子设计方法的研究也有助于对蛋白质生物学机理的探索。在近些年的学术界酶分子设计案例中,生物信息学方法得到广泛的应用。本文系统地总结基于生物信息学的酶分子设计方法的背景、策略和一些经典案例。     

重组人G-CSF双体分子的构建表达及生物活性和结构特性分析

研究目的是分子设计并构建较G—CSF。单体分子具有半衰期更长、生物活性更高的新型重组人G—CSF／G—CSF双体分子(简称G-G),并在原核系统进行高效表达。分别构建pET32／G—G和pET32／G原核表达载体,实现G-G双体融合蛋白在大肠杆菌中的高效表达,利用亲和层析等方法进行蛋白纯化;对该融合蛋白的结构特征诸如等电点、柔性、抗原性及亲水性进行模拟分析;采用MTT法对G-G双体融合蛋白的生物学活性进行测定。结果首次构建成功了G-G双体分子融合蛋白高效表达载体,表达量高于40％,一步亲和层析所获融合蛋白的纯度为80％左右。该融合蛋白的结构特征模拟分析的结果显示,G-CSF双体分子的等电点、柔性、抗原性及亲水性均未显改变。活性测定表明,所构建表达的重组人G-G双体分子能有效刺激G—CSF依赖细胞株NFS-60的增殖,但其刺激效应低于G-CSF的单体和标准品。结果表明,所构建表达的G-CSF的单体和G-G双体分子均可在大肠杆菌中获得高效表达,但G-G双体分子的比活性不及G-CSF单体分子,与预期设想的有差别,其原因正在研究之中。     

酶的分子设计、改造与工程应用

酶工程的研究已经发展到分子水平 ,在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子结构与功能 ,大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率 ,生产有价值的非天然酶。对酶工程学若干“热点”和前沿课题的研究、应用进行了概述 ,分析了国际上酶工程研究及应用技术、手段、方法 ,包括体外分子进化、核酶和抗体酶的设计、酶分子的定向固定化技术、酶蛋白分子的化学修饰、融合酶、人工合成及模拟酶等技术 ,并展望了酶工程的技术进步和应用的新进展。     

体外多酶分子机器的现状和最新进展

体外多酶分子机器遵循所设计的多酶催化路径,将若干种纯化或部分纯化的酶元件进行合理的优化与适配,高效地在体外将特定的底物转化为目标化合物。体外多酶分子机器反应系统呈现元件化和模块化的特点,在设计、组装和调控方面具有较高的自由度。近年来,体外多酶分子机器在实现反应过程的精准调控和提高产品得率方面的优势逐渐体现,展示了其在生物制造领域重要的应用潜力。对体外多酶分子机器的相关研究已成为合成生物学的一个重要分支领域,日益受到广泛的关注。文中系统地综述了基于酶元件/模块的体外多酶分子机器的构建策略,以及改善该分子机器中酶元件/模块之间适配性的研究进展,并分析了该生物制造平台的发展前景与挑战。     

Enzyme stabilization by nano/microsized hybrid materials

Immobilization is a key technology for successful realization of enzyme‐based industrial processes, particularly for production of green and sustainable energy or chemicals from biomass‐derived catalytic conversion. Different methods to immobilize enzymes are critically reviewed. In principle, enzymes are immobilized via three major routes (i) binding to a support, (ii) encapsulation or entrapment, or (iii) cross‐linking (carrier free). As a result, immobilizing enzymes on certain supports can enhance storage and operational stability. In addition, recent breakthroughs in nano and hybrid technology have made various materials more affordable hosts for enzyme immobilization. This review discusses different approaches to improve enzyme stability in various materials such as nanoparticles, nanofibers, mesoporous materials, sol–gel silica, and alginate‐based microspheres. The advantages of stabilized enzyme systems are from its simple separation and ease recovery for reuse, while maintaining activity and selectivity. This review also considers the latest studies conducted on different enzymes immobilized on various support materials with immense potential for biosensor, antibiotic production, food industry, biodiesel production, and bioremediation, because stabilized enzyme systems are expected to be environmental friendly, inexpensive, and easy to use for enzyme‐based industrial applications.     

基因工程技术在降解农药中的应用

综述了基因重组、原生质体融合、外源基因、降解酶和固相反应器等基因工程技术在降解农药中的研究及应用进展,提出了几种高效降解农药的基因工程菌的构建策略和构建手段。     

Evaluation of a novel bifunctional xylanase–cellulase constructed by gene fusion

An artificial bifunctional enzyme, xylanase–cellulase, has been prepared by gene fusion. Three chimeric genes were constructed that encoded fusion proteins of different lengths. The fusion proteins exhibited both xylanase (XynX) and cellulase (Cel5Z::Ω) activity when cel5Z::Ω was fused downstream of xynX, but not when xynX was fused downstream of cel5Z::Ω. Activities of bifunctional enzymes decreased when a shorter xylanase peptide was fused. Three fusion enzymes were purified, and the molecular weights of the enzymes were estimated by CMC-SDS-PAGE and XYN-SDS-PAGE to be 149, 129, and 87 kDa, respectively. The fusion enzymes displayed optimum cellulase activity at pH 8.0 and 50 °C and optimum xylanase activity at pH 8.0 and 70 °C.     

A novel thiolase-reductase gene fusion promotes the production of polyhydroxybutyrate in Arabidopsis

The production of polyhydroxybutyrate (PHB) involves a multigene pathway consisting of thiolase, reductase and synthase genes. In order to simplify this pathway for plant-based expression, a library of thiolase and reductase gene fusions was generated by randomly ligating a short core linker DNA sequence to create in-frame fusions between the thiolase and reductase genes. The resulting fusion constructs were screened for PHB formation in Escherichia coli. This screen identified a polymer-producing candidate in which the thiolase and reductase genes were fused via a 26-amino-acid linker. This gene fusion, designated phaA-phaB, represents an active gene fusion of two homotetrameric enzymes. Expression of phaA-phaB in E. coli and Arabidopsis yielded a fusion protein observed to be the expected size by Western blotting techniques. The fusion protein exhibited thiolase and reductase enzyme activities in crude extracts of recombinant E. coli that were three-fold and nine-fold less than those of the individually expressed thiolase and reductase enzymes, respectively. When targeted to the plastid, and coexpressed with a plastid-targeted polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase, the fusion protein enabled PHB formation in Arabidopsis, yielding roughly half the PHB formed in plants expressing individual thiolase, reductase and synthase enzymes. This work represents a first step towards simplifying the expression of the PHB biosynthetic pathway in plants.     

生物质多糖的高效降解与降解酶（系）的精确定制

自然界中多糖类生物质资源十分丰富,然而其复杂的抗降解屏障限制了生物转化的进程.近年来,随着生物质多糖结构的快速解析以及大量多糖降解酶的鉴定研究,针对不同底物结构或产物需求,仿制高效微生物多糖代谢途径,精确定制多糖降解酶系,促进生物质高效转化已成为可能.本文分析中性多糖(纤维素和木聚糖)、碱性多糖(几丁质和壳聚糖)以及酸性多糖(褐藻胶)的精细结构组成与基团性质,总结3类多糖主要降解酶的活性架构特征及其底物精确结合模式.文章还阐述蛋白质工程设计与定制策略,针对酶分子不同功能区的分析,可为酶分子的功能快速设计与改造提供靶点,以获得适宜于工业应用的高效酶分子,此外,根据微生物胞外降解酶系的降解次序与协同关系,可基于应用需求精确定制复杂多糖降解酶系,实现生物质的高效与高值降解转化.     

6种防御酶调控植物体应答虫害胁迫机制的研究进展

植物防御体系应对虫害胁迫产生一系列防御性生理生化反应,其中防御酶活性呈现显著变化.本文综述了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)、脂氧合酶(LOX)和苯丙氨酸解氨酶(PAL) 6种常见防御酶应对虫害胁迫的机制,解析了6种防御酶的作用机理及其异同.梳理了6种防御酶应对虫害胁迫而相互协调的程序,总结了植物体遭虫害胁迫之后防御酶活性的变化及其与防御酶基因的关联,提出了植物体防御酶机制研究中的重要问题并展望前景.     

Brought to life: targeted activation of enzyme function with small molecules

Cell-permeable small molecules that are capable of activating particular enzymes would be invaluable tools for studying protein function in complex cell-signaling cascades. But, is it feasible to identify compounds that allow chemical–biology researchers to activate specific enzymes in a cellular context? In this review, we describe some recent advances in achieving targeted enzyme activation with small molecules. In addition to surveying progress in the identification and targeting of enzymes that contain natural allosteric-activation sites, we focus on recently developed protein-engineering strategies that allow researchers to render an enzyme of interest “activatable” by a pre-chosen compound. Three distinct strategies for targeting an engineered enzyme are discussed: direct chemical “rescue” of an intentionally inactivated enzyme, activation of an enzyme by targeting a de novo small-molecule-binding site, and the generation of activatable enzymes via fusion of target enzymes to previously characterized small-molecule-binding domains.     

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。