酶的定向进化及其应用

综述了生物催化剂（酶）分子定向进化的产生、原理、方法及应用,深入阐述酶分子定向进化过程中的相关问题,重点介绍了易错PCR（Error-prone PCR）和DNA改组（DNA shuffling）等几种典型的酶定向进化方法与成功实例,展望了生物定向进化研究的发展前景。     

蛋白质定向进化的研究进展

在工业生物催化过程和生物细胞工厂构建方面,蛋白质定向进化被广泛地应用于酶的分子改造.蛋白质定向进化不仅可以针对某一目的蛋白进行改造,还可以改善代谢途径、优化代谢网络、获得期望表型细胞.为了获得更高效的突变效率,快捷、高通量的筛选方法,提高蛋白质定向进化的效果,研究者不断开发蛋白质体内、体外进化方法,取得了新的进展和应用.本文介绍了最近发展的蛋白质定向进化技术的原理、方法及特点,总结了突变文库的筛选方法和蛋白质定向进化的最新应用,最后讨论了蛋白质定向进化存在的挑战和未来发展方向.     

改进酶稳定性的定向进化技术

酶作为一种生物催化剂,以其独特的优良特性,在绿色化学和清洁生产中得到了广泛的应用。随着酶定向进化技术的建立和发展,通过定向进化改进酶稳定性的研究越来越多。详细综述了各种定向进化方法的特点及在提高酶稳定性方面的应用,并从结构和功能的角度进一步解释了相关机理。     

酶祖先序列重建与定向进化

酶祖先序列重建是指通过计算机算法推导来自灭绝生物的祖先酶的氨基酸序列的技术。通常可分为6个步骤,依次为现代酶的核酸/氨基酸序列收集、多序列比对、系统发育树构建、祖先酶序列的计算机推测、基因克隆、酶学性质表征。该方法广泛应用于研究分子在行星时间尺度上对环境条件不断变化的适应性和进化机制。随着酶在生物催化领域中扮演越来越重要的角色,该方法逐渐成为研究酶序列、结构和功能关系的有力手段。同时,祖先酶大多具有温度稳定性、突变稳定性等特性,使其成为进一步定向进化的理想蛋白质支架。文中综述了酶祖先序列重建的计算机算法、应用和常用计算机软件,并结合最新研究进展,展望其在酶定向进化领域中的应用前景。     

酶分子体外定向进化的研究进展

分子体外定向进化是改造酶分子的新策略,它主要通过体外模拟自然进化机制,利用基因随机突变、重组和定向筛选技术,使进化过程朝着人们需要的方向发展。简要介绍了酶分子体外定向进化的发展历史,详细介绍了突变文库构建和筛选方法的最新研究进展及应用情况。     

蛋白质定向进化的研究进展及其应用前景

定向进化是改造蛋白质分子的有效新策略.它不需要了解蛋白质的空间结构,主要通过在实验室里模拟自然进化过程,采用错误倾向PCR等方法对编码蛋白质的基因进行随机突变,经DNA改组、交错延伸等技术进行体外重组,设计高通量筛选方法来选出需要的突变体.本综述了定向进化技术的发展及应用.     

酶分子体外定向进化的研究方法*

酶分子体外定向进化不仅可大幅度提高酶分子的进化效率,短期内在实验室完成自然状态下需要千百万年的进化过程,还可使酶分子按照人们期望的特定目标进化,因此对酶工程今后的发展非常重要。本对酶分子体外定向进化的研究方法进行了归纳总结。     

催化混杂性驱动的酶功能重塑

作为生物催化剂,酶蛋白介导的生化反应具有条件温和、绿色环保等优点。然而相比化学催化剂,天然酶功能的局限性制约了它在生物制造领域的广泛应用。前期研究表明,酶蛋白除了催化专一性外,同时还展现出混杂性的一面,可在特定条件下催化非天然模式反应。这一特性为酶分子功能重塑提供了新思路,可用来指导人工酶设计,拓展天然酶的催化边界,实现新颖酶促反应类型,以扩大酶催化应用场景。本文从酶催化功能混杂性背后可能的进化机制入手,综述了当前诱导酶催化功能混杂性的常用策略,如定向进化、构象动力学、反应条件诱导及祖先酶重构等技术,并从催化机制、构效关系及适应性进化等多个角度,结合近年来相关研究实例,探讨了催化功能混杂性背后的分子机制,为突破天然酶促反应局限性、创制催化非天然反应的高效人工酶元件提供参考。     

酶的定向进化策略

定向进化技术已成为改造酶分子的一种有效策略,是在体外模拟自然进化进程,通过随机突变和（或）体外重组产生基因的多样性．再经筛选（或选择）获得所需性能大幅提高的酶。该文介绍近几年来酶定向进化技术研究的最新进展以及一些成功实例。     

基于荧光激活细胞分选技术的超高通量酶活性筛选方法及其应用

基于荧光激活细胞分选(FACS)技术的超高通量酶活性筛选方法是新出现的一类高通量筛选技术.它利用流式细胞仪高灵敏度、高通量的特点,能以极高的速度(108/天)对大容量酶基因文库进行筛选.FACS筛选技术的出现突破了常规筛选方法低效、耗时、费力等瓶颈问题,极大地提升了人类对大容量基因文库的探索能力,因此在新酶基因筛选、酶活性检测、酶定向进化等领域有广泛的应用潜力.综述了FACS超高通量酶活性筛选方法的最新研究进展,着重介绍了其在酶定向进化中的应用.     

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。     

枯草芽孢杆菌代谢工程改造的策略与工具

作为一种食品安全级的典型工业模式微生物,枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis由于具有非致病性、胞外分泌蛋白能力强以及无明显的密码子偏爱性等特点,现已被广泛应用于代谢工程领域。近年来,随着分子生物学和基因工程技术等的迅速发展,多种研究策略和工具被用于构建枯草芽孢杆菌底盘细胞进行生物制品的高效合成。文中从启动子工程、基因编辑、基因回路、辅因子工程以及途径酶组装等方面介绍枯草芽孢杆菌在代谢工程领域的研究历程,并总结其在生物制品生产中的相关应用,最后对其未来的研究方向进行展望。     

扩环酶的研究进展及其应用前景

扩环酶,也叫脱乙酰氧基头孢菌素Ｃ合成酶,催化青霉素Ｎ扩环生成脱乙酰氧基头孢菌素Ｃ,是头孢菌素生物合成中的关键酶。在真菌中它是一个双功能酶,同时具有扩环酶和羟化酶的活性;而在细菌中扩环和羟化却是由两个独立的酶来承担的。近年来,扩环酶被纯化成均一蛋白,有关它的性质、分子结构以及基因结构等方面的研究都取得了飞速发展,并不断地应用基因工程的技术探索其在抗生素生产上的应用。     

定制酶分子机器/细胞工厂，引领生物制造产业未来

工业酶制剂研发与应用已经渗透到各大工业领域,但中国作为用酶大国、产酶小国面临重大挑战,鉴于以化学催化为核心的基础物质加工业面临资源、能源和环境三大危机,酶工程与生物催化已被列入许多国家的科技与产业发展战略,应用高效、清洁的生物催化技术是实现化学工业可持续发展以及发酵工业产业升级的重要途径之一。文中以2017年第十一届中国酶工程学术研讨会杜邦-杰能科中国酶工程杰出贡献奖获得者特邀报告为基础整理编写而成,从自主酶库构建、酶分子机器/细胞工厂创制及产业化应用等角度概述当前酶工程与生物催化发展现状及前景。     

Engineering of molecular and cellular biocatalysts: selected contributions by James E. Bailey

James (Jay) E. Bailey was a pioneer in biotechnology and biochemical engineering. During his 30 years in academia he made seminal contributions to many fields of chemical engineering science, including catalysis and reaction engineering, bioprocess engineering, mathematical modeling of cellular processes, recombinant DNA technology, enzyme engineering, and metabolic engineering. This article celebrates some of his contributions to the engineering of molecular and cellular biocatalysts, and identifies the influence he had on current and future research in biotechnology.     

酶工程专刊序言

酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术,是现代生物技术的支柱之一。近年来我国在酶工程研究方面取得了较大进步,为促进国内酶工程研究的发展,本期"酶工程专刊"集中展现了我国酶工程专家学者在酶促生物转化、医药用酶、饲料用酶、环境修复用酶和生物能源用酶等领域所取得的最新进展。     

现代生物技术在乳品工业中的应用研究

随着细胞生物学和分子生物学的发展及对生物物理、生物化学、遗传学和免疫学研究的深入,培育了基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等改变生物特性进行物质转化的现代生物技术,形成了DNA探针、PCR技术、分子标记、生物荧光技术、基因芯片技术等前沿性的生物检测技术,其在乳品工业中的广泛应用,推动了乳业的技术变革,对乳品生产、研究和乳品安全意义重大。     

微生物酶分子改造研究进展

近年来,越来越多的酶蛋白已经采用重组微生物反应器进行高效生产。为了改善酶蛋白的催化性能,提高其环境适应性,同时提高酶蛋白的表达量,降低生产成本,各种针对酶蛋白分子改造的基因工程技术已经得到大量的应用。综述了用于酶分子改造和进化的主要分子生物学方法,如定点突变、易错PCR、基因改组、密码子优化等技术及其应用成就。     

合成生物学技术在环境保护中的应用

合成生物学是一个基于生物学和工程学原理的科学领域,其目的是重新设计和重组微生物,以优化或创建具有增强功能的新生物系统。该领域利用分子工具、系统生物学和遗传框架的重编程,从而构建合成途径以获得具有替代功能的微生物。传统上,合成生物学方法通常旨在开发具有成本效益的微生物细胞工厂进而从可再生资源中生产化学物质。然而,近年来合成生物学技术开始在环境保护中发挥着更直接的作用。本综述介绍了基因工程中的合成生物学工具,讨论了基于基因工程的微生物修复策略,强调了合成生物学技术可以通过响应特定污染物进行生物修复来保护环境。其中,规律间隔成簇短回文重复序列(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats, CRISPR)技术在基因工程细菌和古细菌的生物修复中得到了广泛应用,生物修复领域也出现了很多新的先进技术,包括生物膜工程、人工微生物群落的构建、基因驱动、酶和蛋白质工程等。有了这些新的技术和工具,生物修复将成为当今最好和最有效的污染物去除方式之一。     

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。 