蛋白质工程的原理和应用高二下学期生物人教版选择性必修3

你见过用细菌画画吗？将荧光蛋白基因导入细菌，细菌就能在紫外灯照射下，发出荧光基因工程的实质:将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。（P93)其他颜色的荧光蛋白想要一些亮度更高的，其他颜色的荧光蛋白（如蓝色)，自然界里没有现成的基因，基因工程还可行吗？​最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白（GFP）基因工程的不足：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质如何改造或制造新的蛋白质？人教版选择性必修3第3章第4节一、蛋白质工程的基本思路问题1.如何了解蛋白质的空间结构呢？基于神经网络原理构建的人工智能工具AlphaFold实现了对蛋白质三维结构的精准预测，解决困扰生命科学60年的难题2024年诺贝尔化学奖得主还有冷冻电镜技术、核磁共振技术等一、蛋白质工程的基本思路资料1：晶体结构分析表明GFP包含238个氨基酸，其发色团由（丝氨酸65-酪氨酸66-甘氨酸67）组成，这三个氨基酸的序列直接决定了荧光的颜色和亮度。资料2：科学家发现将绿色荧光蛋白的第66位酪氨酸替换为组氨酸，使发色团的电子跃迁能级发生变化，就能得到蓝色荧光蛋白（BFP），且改造后的氨基酸序列，不影响蛋白质的正确折叠。问题2.想要获得蓝色荧光蛋白，是对基因进行改造还是直接改造蛋白质？问题3.如何利用绿色荧光蛋白得到蓝色荧光蛋白？一、蛋白质工程的基本思路蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能问题2.想要获得蓝色荧光蛋白，是对基因进行改造还是直接改造蛋白质？一、蛋白质工程的基本思路①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质③基因可以遗传，蛋白质无法遗传问题2.想要获得蓝色荧光蛋白，是对基因进行改造还是直接改造蛋白质？一、蛋白质工程的基本思路天然绿色荧光蛋白的部分氨基酸序列改造后的蓝色荧光蛋白的部分氨基酸序列请推测出绿色荧光蛋白和蓝色荧光蛋白的部分基因序列问题3.如何利用绿色荧光蛋白得到蓝色荧光蛋白？大肠杆菌是最常用的工程菌，红框为大肠杆菌的最优密码子由于密码子的简并性，基因的序列可能有多种。问题3.如何利用绿色荧光蛋白得到蓝色荧光蛋白？翻译翻译转录AGCCATGGTTCGGTACCA3’5’5’3’转录DNADNA天然绿色荧光蛋白的部分基因改造后的蓝色荧光蛋白的部分基因问题3.如何利用绿色荧光蛋白得到蓝色荧光蛋白？一、蛋白质工程的基本思路问题4.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？①人工合成目的基因TATATACATGTA利用重叠延伸PCR技术进行定点突变问题5.如何获得大量的蓝色荧光蛋白？将改造得到的BFP基因，通过基因工程技术导入大肠杆菌等受体细胞，使其转录和翻译，在紫外灯照射下，检测并筛选出符合预期的菌株，得到大量的蓝色荧光蛋白。②利用定点突变技术对基因进行改造利用重叠延伸PCR技术进行定点突变：定点突变使用耐高温的DNA聚合酶延伸利用大引物PCR技术进行定点突变：定点突变至少第2次循环获得至少第2次循环获得利用第一轮扩增产物片段中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA。环状质粒定点突变技术：引物突变DNA聚合酶DNA连接酶受体细胞转录突变项目内容条件原料酶引物操作方法先通过

扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过

和

合成所需的蛋白质。结果后代中

为诱变的DNA分子适用范围空间结构完全清楚的蛋白质，对其基因进行碱基的

等特点4种脱氧核苷酸DNA聚合酶和DNA连接酶含突变位点的DNA分子片段有目的性和针对性PCR转录翻译一半替换用荧光蛋白点亮大脑中的神经元，可以帮助科学家解析大脑功能钱永健因在荧光蛋白改造方面做出的突出贡献，获得了2008年的诺贝尔化学奖一、蛋白质工程的基本思路逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反①预期的蛋白质功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤获得所需的蛋白质问题6.蛋白质工程只能改造现有蛋白质吗？一、蛋白质工程的基本思路戴维贝克，开发罗塞塔（Rustyta)软件设计全新蛋白质，并设计出了全新蛋白质，获得了2021年科学突破奖。二、蛋白质工程的概念以蛋白质分子的____________及其____________的关系作为基础，通过_____或______基因，对现有蛋白质进行_______，或___________________，以满足人类生产和生活的需求。也就是说，蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的__________________，是包含多学科的综合科技工程领域。结构规律生物功能合成改造改造制造一种新的蛋白质第二代基因工程基因（DNA分子水平）基因（DNA分子水平）预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定可生产自然界没有的蛋白质生产自然界已有的蛋白质通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。预期蛋白质功能目的基因如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？是否合成新的基因蛋白质工程是否对原有基因进行改造是否是否蛋白质工程基因工程看蛋白质看基因是否为天然蛋白质是否蛋白质工程基因工程三、蛋白质工程的应用（一）医药方面的应用实例1：研发速效胰岛素类似物【背景】天然胰岛素见效慢，是因为天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，发挥作用。三、蛋白质工程的应用（一）医药方面的应用实例1：研发速效胰岛素类似物【资料1】科学研究发现，胰岛素β链第20～29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。三、蛋白质工程的应用（一）医药方面的应用实例1：研发速效胰岛素类似物天然胰岛素易形成二聚体或六聚体预期结构B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置新胰岛素基因转录mRNA折叠预期功能行使功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20-29位氨基酸组成推测序列翻译多肽链有效抑制胰岛素的聚合改造定点突变三、蛋白质工程的应用（一）医药方面的应用实例2：延长干扰素体外保存时间天然干扰素（体外保存困难）改造后的干扰素（-70℃可保存半年）干扰素在体外保存相当困难将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸在-70℃下干扰素可保存半年三、蛋白质工程的应用（一）医药方面的应用实例2：延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存改造新干扰素基因预期功能延长保存时间设计结构氨基酸替换一个半胱氨酸变成丝氨酸推测序列预期结构转录mRNA折叠翻译多肽链行使功能在-70℃下可以保存半年定点突变（一）医药方面的应用实例3：降低人对”小鼠单抗”的免疫反应负责识别和结合抗原通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。利用重叠延伸PCR技术进行基因融合三、蛋白质工程的应用（二）其他工业方面的应用用于改进酶的性能或开发新的工业用酶如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。（三）在农业方面的应用1.改造某些参与调控光合作用的酶科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。2.改造微生物蛋白质结构，防治害虫科学家利用蛋白质工程的思路来设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药对蛋白质的结构进行设计和改造:最终是通过改造

来实现的。改造基因的方法：

。基因定点突变、基因融合、基因拼接四、蛋白质工程面临的问题及前景展望蛋白质工程是一项难度很大的工程。蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。由计算机建立的血红蛋白三维结构模型科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。1．研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、179、194位相应氨基酸替换为赖氨酸后，纤维素酶热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法正确的是()A．对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础B．对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的C．改造后的纤维素酶和原纤维素酶是同一种酶D．改造前后，纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同A随堂演练2．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(

)A．蛋白质工程的实质是通过改造或合成基因来改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质B．蛋白质工程可以使大肠杆菌细胞合成人的胰岛素C．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D．蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程B随堂演练3.近年来，人工智能(AI)算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，下列关于AI算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的是（）A．根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构B．根据蛋白质的空间结构推测其氨基酸序列C．按照设定的氨基酸序列推测mRNA的碱基序列D．按照设定的mRNA的碱基序列设计新基因A随堂演练4.T4溶菌酶热稳定性改造定点突变这项工作属于蛋白质工程的范畴。

引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是编码T4溶菌酶基因的碱基序列发生了变化。随堂演练如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确：该酶的耐受温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。4.T4溶菌酶热稳定性改造