蛋白质工程技术在生物药物研发中的应用研究

蛋白质工程技术在生物药物研发中的应用研究

付欢欢，俞碧云，陈媛媛，徐梦颖，金子茹

安徽省合肥市经济技术开发区1688号锦绣校区合肥师范学院

安徽省合肥市  230601

摘要：蛋白质工程技术是当下生物技术工程中的一个重要研究对象，在了解蛋白质结构和功能的前提下，运用生物学知识进行的一种特异性改造，进而得到具有新的特性的蛋白质。蛋白质工程技术一般是对已经存在的或人们已经发现的其他蛋白质进行模式分析或采取分子进化等手段，简要对生物药物研发应用蛋白质工程技术进行分析。

关键词：生物药物；研发；蛋白质工程技术

1蛋白质工程在生物制药领域的原理和方法

蛋白质工程是指通过人工手段对蛋白质的基因和结构进行改造，以达到特定目的的技术。在生物制药领域，蛋白质工程被广泛应用于制造蛋白质药物或改良现有的蛋白质药物。

蛋白质工程的原理包括以下几个方面：（1）基因工程：通过改变蛋白质基因的序列，可以改变蛋白质的结构和功能。基因工程通常包括插入、删除、突变等操作，以改变蛋白质的氨基酸序列。（2）蛋白质结构预测和模拟：利用计算方法对蛋白质的结构进行预测和模拟，为蛋白质的功能改造提供理论依据。这些方法可以通过基于结构的设计来改变蛋白质的功能和稳定性。（3）合成生物学：通过利用合成生物学的技术，如改变底物供应、增强表达系统、改变翻译后修饰等，进一步调控蛋白质的表达和功能。

蛋白质工程的方法包括以下几个主要步骤：（1）靶点选择：确定要改造的蛋白质，并确定改造的目的，例如增强药物活性、改变药物特性或降低副作用。（2）基因克隆：将目标蛋白质的基因克隆到适当的表达载体中，以便在宿主细胞中进行表达。常用的表达载体包括质粒、病毒载体等。（3）遗传转化：将重组载体导入宿主细胞，通过细胞培养进行蛋白质的表达。（4）蛋白质表达与纯化：通过改变蛋白质的表达条件，例如温度、培养基中添加的辅助蛋白等，提高目标蛋白质的表达水平。然后，使用各种蛋白质纯化技术，如离子交换、凝胶过滤、亲和层析等，纯化目标蛋白质。（5）蛋白质改造：通过基因突变、点突变、插入或删除特定的氨基酸序列，改变蛋白质的结构和功能。这些改造可以通过基于结构的设计方法或随机突变筛选方法实现。（6）评价与优化：对改造后的蛋白质进行鉴定和评估，包括蛋白质结构分析、活性测定、药物性质测试等。对于不理想的改造效果，可以通过迭代优化的方法进行改进。

2蛋白质工程技术在生物药物研发中的优势

生物药物研发是生物领域的重点，其中蛋白质技术的应用在很大程度上帮助了相关研究者的实际设计和研究，大大减轻了其工作量和工作难度。在实际应用过程中，发现了蛋白质技术的许多优势，对蛋白质工程技术的研究更为深入，同时也得到了许多的新结构和新功能的药用蛋白。在生物药物的研发中，蛋白质工程技术已经取得了多方面的成果，比如定点突变、体外定向等，还有甚至可以利用基因突变实现某分子中氨基酸的改造，得到具有新的药理作用的蛋白质。总之，就目前的发展形势来看，蛋白质工程技术在生物药物研发领域具有很大的优势，并且随着其研究的深入，其优势将会更加明显。

3蛋白质工程技术在生物药物研发中的具体应用

3.1体外定向进化技术

此项技术主要是对天然蛋白进行技术改造，因为重点是对少数位点突变的技术改造，所以不能改变蛋白质本身所具备的高级结构，只能改变部分的蛋白质功能。体外定向转化也可以称之为分子转化，借助体外DNA或者是PCR等技术对活性较高的药物进行合理的筛选，这样能得到自然界所不具备的优质药物。DNA改组是一项优良的技术，能对蛋白药物进行针对性的优化，重点对生物酶稳定性以及活性进行有效的筛选，同时也可以对特异性进行更高水准的筛选。例如在进行医药研究的过程中运用乳酸氧化酶对L-乳酸实施氧化技术处理，通过基因改造的方式提高其稳定性，这样能提高其热稳定性以提高药物治疗的效果。

在进行PCR体外扩增的过程中，技术人员应该找寻合适的技术条件，进一步实现简单化的随机突变，需要得到其他技术的支持。一般情况下很难在一轮定向选择之后获得满意的成果，所以应该开展持续性的技术筛选，最终选择到最为有益的突变型基因，也可以获得更好的突变知识累积。例如在医药研究领域，1.3-丙二醇能作为合成单位进行聚酯等物质的合成研究。在技术合成过程中也可以运用同工酶提高药物活性，这是因为同工酶是经历过突变筛选之后而获得的氧化还原酶，体现出比较强的催化活性。

3.2定点突变工程技术

定点突变是按照生物医药的结构与功能开展针对性的改造，涵盖了活性基因、DNA序列和特定核苷酸序列的特定插入和删除，从而对生物大分子的氨基酸序列进行改变，进而改变药性，其在生物药物编码序列和一级结构中有着很好的修饰作用。相对于自然因素和化学因素所诱导的突变而言，定点突变具有更强的特异性，而且具有更强的可重复性。通过对相应的能够改变生物药物功能与性质的核苷酸进行改变，可以获得活性更高的改良生物药物。以纳豆激酶为例，其本身是由纳豆枯草杆菌产生的具有溶解纤维蛋白活性的酶，在心血管药物开发中应用价值较高。但是实际应用中，纳豆激酶很容易被氧化，稳定性较差，而利用定点突变技术，将丝氨酸和丙氨醛加入其核苷酸序列中，并且对其催化残基和附近的苏氨酸位点进行改变，使得其能够在大肠杆菌中高表达，并且显著提升了自身的抗氧化能力。而且还可以借助催化抗体的形式调节免疫球蛋白的活性，应用突变技术提高相应的催化酶活性，进而加速酶解反应。此外，应用PCR法开展定点突变也可以改变核苷酸序列，辅助以包涵体对蛋白进行特异性变性与复性处理，可以实现对蛋白的纯化，同时还可以提升其生物活性。

3.3转运RNA

转运RNA（tRNA）在生物体内起着至关重要的作用，它们对于蛋白质的合成和功能改造具有深远影响。近期学术研究揭示了转运RNA在目的蛋白中扮演的角色，强调了其选择性功能改造的重要性。这一发现为蛋白质研究开启了新的篇章，为科研人员提供了更加广阔的研究空间。在转运RNA的作用下，蛋白质得到了更加稳定的结构保障，这为生物体的正常生理功能提供了基础。然而，在实际应用过程中，技术人员需要对转运RNA进行有效地抑制，以实现对目的蛋白的特定改造。为此，科研人员应当关注到错酰化现象，并重视在目的蛋白中引入反密码子。以西尼罗河脑炎病毒为例，科研人员通过在病毒结构中融入氨酰转化RNA合成酶，成功构建了具有荧光高敏感特征的突变体。

4蛋白质工程技术在生物药物研发中的应用前景分析

4.1个性化治疗领域的应用前景

蛋白质工程技术可以在很大程度上帮助实现个性化治疗，通过对患者特定基因进行定点突变，设计出具有特定功能的蛋白质药物，以满足患者个体化的治疗需求。例如，针对某些癌症患者，可以通过蛋白质工程技术设计出具有高特异性和高催化活性的药物，以提高治疗效果。

4.2生物仿生材料领域的应用前景

通过蛋白质工程设计出具有特定结构和功能的蛋白质，可以用于制备具有生物活性的人工材料。这些人工材料在生物医学、生物能源、生物环保等领域具有广泛的应用。例如，利用蛋白质工程技术设计出具有高催化活性的酶，用于生物降解塑料废弃物，解决环境污染问题。

结语：

科学技术不断进步推动着人们医疗水平的不断提高，当前蛋白质工程技术在生物药物研发工作中已经起到了极大的推动作用，提高了生物药物研发的效率，减轻了药物研发人员的负担。通过蛋白质工程技术对特定的DNA片段或特定的核苷酸片段进行添加或删除，已经生产出许多具有新结构、新功能的药物，造福人类。

参考文献：

[1]陈铄.浅议生物药物研发中对于蛋白质工程技术的应用[J].科技风，2019(05):218.

[2]郑昆，杨红.浅议生物药物研发中对于蛋白质工程技术的应用[J].生物化工，2018，4(05):96-97+104.

基金项目：2023年国家级大学生创新训练项目“维生素E焕发你的美“（202314098027）2023年国家级大学生创新训练项目”红曲霉液态发酵产色素条件优化及稳定性研究”（202314098022）