[發明專利]一種基于理性設計的蛋白質分子熱穩定性改造方法

無效

• 申請號: 201310054417.1
• 申請日: 2013-02-20
• 公開（公告）號: CN103087145A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 林峻
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: C07K1/00
• 分類號: C07K1/00;C12N9/08;C12N15/53;C12N15/81
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明屬于生物工程技術領域，涉及一種基于理性設計的蛋白質分子熱穩定性改造方法。?

背景技術

蛋白質分子是由20種氨基酸組成的多聚體，蛋白質分子的功能與其空間三維結構密切相關，三維結構的些許改變，就會影響到蛋白質的功能。因此，只要能有目的性地改變蛋白質的空間三維結構，就有可能改變某一特定蛋白質的功能，使其向著有利于人類使用的方向發生進化。?

蛋白質的空間三維結構，與其一級結構的氨基酸組成密切相關，20種氨基酸的排列組合，最終決定了蛋白質的三維結構。因此，只要改變一級結構中的部分氨基酸，就有可能改變蛋白質的三維結構。眾所周知，蛋白質序列是由mRNA上的三聯密碼子翻譯生成的，而mRNA是由編碼DNA（CDS）轉錄而成。目前，64個密碼子均已被破譯，因此，只要改變編碼DNA的序列，就可以定向改變蛋白質的氨基酸組成。?

所謂基于“理性設計”的定向進化技術，即研究者根據一定的實驗目的，例如提高蛋白質的耐熱性、提高耐酸性等等，有目的的改造蛋白質的編碼序列，使其符合需求。此類研究，其難點就在于如何找出有效的改造點，以及如何改造。?

要回答上述問題，必須很明確地了解有待進化的某一特定蛋白質的結構與功能的關系。蛋白質的結構，一般可以通過X-ray或者NMR等方法進行解析，目前人類已經通過實驗方法解析出70695種（統計于2011年1月18日）蛋白質的三維結構，均儲存在PDB（Protein?Data?Bank，www.pdb.org）數據庫中。該數據庫中的數據每日都在不斷的添加與更新，正以迅猛的速度增長。?

眾所周知，自然界所存在的蛋白質分子種類有數百億種，目前所知的7萬多種蛋白質結構只是冰山一角，不足以一窺全貌。使用X-ray或者NMR等實驗方法進行蛋白質分子結構解析，一來，需要數百萬甚至數千萬的大型儀器設備，二來，即便擁有良好的實驗設備，由于方法上的局限，解析蛋白質結構也是困難重重，例如X-ray方法需要將蛋白質分子結晶才可以進行測定，但是并非所有的蛋白質分子都能很容易地結晶，而NMR方法雖然能在溶液中測定蛋白質分子結構，但是其所測分子的大小受到限制，即使使用目前最先進的1000MHz核磁共振儀（代號AVANCE1000，由德國布魯克公司制造，目前全世界僅有一臺樣機，安裝于法國里昂Centre?de?Resonance?Magnétique?Nucléaire?à?Très?Hauts?Champs），也只能測定大約50KDa的蛋白質分子。?

目前，Genbank、EMBL和DDBJ三大數據庫中儲存的蛋白質序列的數目正以幾何級數增長，而PDB數據庫中記錄的蛋白質三維結構信息數目的增長速度遠遠落后于此。而通過實驗方法獲得蛋白質結構的難度極大，因此，使用同源建模技術（Homology?Modeling）獲得蛋白質的三維結構就成為現代生物學家常用的一種生物信息學方法。?

同源建模的主要步驟是找尋與目標序列同源而且已有實驗測定結構的蛋白質作為模板，之后構建目標序列的三維空間模型。同源建模要求兩條序列比對的同源性至少大于30%，當然，同源性越高，意味著所構建模型的準確度也越高。?

目前，常用的蛋白質同源建模程序有Swiss-Model、CPHmodel、SDSC1、3D-jigsaw、InsightII、sybyl、COMPOSER、Modeller等等。?

在測定蛋白質三維結構之后，如何將其與蛋白質的功能相聯系，是一個世界性難題，由于每種蛋白質都不盡相同，沒有固定的方法模式可循，因此，要研究一個蛋白質的結構與功能的關系，此前，只能根據蛋白質的特性，設計相應的實驗，進行研究。?

但是，近年來日益成熟的分子模擬技術，為解決上述問題提供了一個可能的途徑。

分子模擬是以高性能計算機技術為工具，以量子化學、統計力學為理論基礎的一門新興學科。它主要包括了“計算量子化學”（計算分子的性質）和“分子模擬”（模擬分子聚集體的行為，從而計算分子系統的宏觀性質）。?

在分子模擬技術出現的早期，即被應用于生物領域。分子模擬技術可以用來模擬分子的各種動態行為、玻璃態的分子結構、分子運動的特征、蛋白質的折疊與去折疊等等。?

常見的分子力場有Amber（Assisted?Model?Building?with?Energy?Refinement）和Charmm（Chemistry?at?HARvard?Molecular?Mechanics）。這兩種力場在分子模擬領域得到了廣泛的運用。?