你見過用細(xì)菌畫畫嗎?右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
熒光蛋白發(fā)出的光穿透性極強(qiáng)，即使蛋白質(zhì)位于小動物體內(nèi)深處，其發(fā)出的光也可以穿透生物體外界看到。
在癌癥研究過程中，熒光蛋白的出現(xiàn)使得科學(xué)家們能夠觀測到腫瘤細(xì)胞的具體活動，比如癌細(xì)胞的成長、入侵、轉(zhuǎn)移和新生。
那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計和改造的呢?
晶體學(xué)、分子生物學(xué)和計算機(jī)技術(shù)等
對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實(shí)現(xiàn)的。
指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。
蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴正確的高級結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜、難度很大的工程。
蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。
基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)(天然蛋白質(zhì))
天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要
需要對天然蛋白進(jìn)行改造產(chǎn)生更符合人類需要的蛋白質(zhì)
The rise f prtein engineering
352位的蘇氨酸變成異亮氨酸
104位的天冬酰胺變成異亮氨酸
你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？
人類蛋白質(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國際合作科研項(xiàng)目。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動兩項(xiàng)重大國際合作項(xiàng)目：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”；另一項(xiàng)是由美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國際科研協(xié)作計劃。
它的目標(biāo)是通過對肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯浚馕龈闻K蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。2010年，該計劃“兩譜、兩圖、三庫”的目標(biāo)初步實(shí)現(xiàn)。我國科學(xué)家完成了人類肝臟蛋白質(zhì)組表達(dá)譜和修飾譜，繪制了蛋白質(zhì)相互作用連鎖圖和定位圖?！叭龓臁眲t是建立符合國際標(biāo)準(zhǔn)的肝臟標(biāo)本庫、發(fā)展規(guī)?；贵w制備技術(shù)并建立肝臟蛋白質(zhì)抗體庫和建立完整的肝臟蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。人類蛋白質(zhì)組計劃取得的成果有力推動了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質(zhì)組計劃啟動。
1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：
根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改造。
2.改造蛋白質(zhì)的方法：
對天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，為什么不是直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實(shí)現(xiàn)的？
①基因決定蛋白質(zhì)的合成，改造基因即為改造蛋白質(zhì)；②改造基因可以遺傳，改造蛋白質(zhì)無法遺傳；③改造基因比改造蛋白質(zhì)更容易操作。
具有特定氨基酸序列的多肽鏈
找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因
創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)
逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反
從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)
目的基因的篩選與獲取→基因表達(dá)載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定
定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)
定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的新的生物類型和生物產(chǎn)品
生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)
①蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程②基因工程中所利用的某些酶可以通過蛋白質(zhì)工程進(jìn)行修飾、改造
如何確定一個操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？
是否對原有基因進(jìn)行改造
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
討論：1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。
每種氨基酸都有對應(yīng)的密碼子，通過查密碼子表，就可以將編碼上述氨基酸的mRNA序列寫出來，然后根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，就可以將決定這段多肽鏈的脫氧核苷酸的堿基序列寫出來。
丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC色氨酸： ACC賴氨酸：TTT 、TTC甲硫氨酸：TAC苯丙氨酸：TTT 、TTG
由于上述氨基酸有多個密碼子，因此需要通過排列組合進(jìn)行排列。
GCU(或C，或A，或G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)
CGA(或G，或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)
2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因。
確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。
對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。
借助計算機(jī)來建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型;
利用晶體學(xué)技術(shù)來獲得蛋白質(zhì)的結(jié)晶體，然后通過X射線衍射技術(shù)，分析晶體的結(jié)構(gòu);
用基因的定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換
②晶體學(xué)、X射線衍射技術(shù)
①實(shí)例1：研發(fā)速效胰島素類似物
天然胰島素易形成二聚體或六聚體
B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置
改變B鏈第20～29位氨基酸組成
②實(shí)例2：延長干擾素體外保存時間
天然干擾素（體外保存困難）
改造后的干擾素（-70℃可保存半年）
③實(shí)例3：制備人鼠嵌合抗體
醫(yī)學(xué)問題：小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)， 從而導(dǎo)致治療效果大大降低
解決辦法：通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域 （即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)） 上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就 會減低很多。
一個氨基酸的改變或兩個氨基酸位置互換
枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，因此常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。
廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶
利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。
①改造某些參與調(diào)控光合作用的酶
科學(xué)家正在嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。
還有科學(xué)家將蛋白質(zhì)工程作為設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥的新思路，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。
②改造微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，防治害蟲
蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程。
蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。
科學(xué)家要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。
能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主，細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢?
理論上講可以,但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì),但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì),并非完全是人工設(shè)計出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。
主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠,很難設(shè)計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計并獲得了一個全新的蛋白質(zhì),它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長期深人的研究。
酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個市場可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。
酶用作工業(yè)催化劑,比無機(jī)催化劑具有更大的優(yōu)越性,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性歸條件下進(jìn)行,因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資;生產(chǎn)過程中不會造成嚴(yán)重的污染,符合環(huán)境保護(hù)的要求;生產(chǎn)過程簡單、效率高,產(chǎn)品質(zhì)量好,生產(chǎn)成本低。因此,酶制劑在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
近年來,通過引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開發(fā)新型酶制劑,我國酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較 快的增長態(tài)勢,品種越來越豐富,產(chǎn)品的市場競爭力也在不斷提升。2016年,我國工業(yè)酶制劑 年產(chǎn)量達(dá)120萬噸,年增長率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi),我國酶制劑的市場份額已占到了 30%左右,我國進(jìn)人酶制劑生產(chǎn)大國的行列。 在酶制劑產(chǎn)業(yè)中,蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開發(fā)酶的新品種或改進(jìn)酶的性能,如提高酶的熱穩(wěn) 定性,增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。
1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸， 判斷下列相關(guān)表述是否正確。(1)基因工程需要在分子水平對基因進(jìn)行操作， 蛋白質(zhì)工程不需要對基因進(jìn)行操作。 ( )(2)蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。( )(3)蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。( )
2. 蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的 基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是 ( )A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求
3. 水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對象是( )A.基因 B.氨基酸 C.多肽鏈 D.蛋白質(zhì)
4.T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇?在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么?如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作?
這項(xiàng)工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,還有很多工作需要做。例如, 由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此它的一些基本特性需要重新明確,包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等;需要建立規(guī)?；a(chǎn)該酶的技術(shù)體系,評估生產(chǎn)成本等。
1.某動物體內(nèi)含有研究者感興趣的目的基因，研究者欲將該基因?qū)氪竽c桿菌的質(zhì)粒中保存。該質(zhì)粒含有氨芐青霉素抗性基因 (AmpR)、LacZ 基因及一些酶切位點(diǎn),其結(jié)構(gòu)和簡單的操作步驟如下圖所示。
請根據(jù)以上信息回答下列問題。（1）在第②步中,應(yīng)怎樣選擇限制酶？
應(yīng)選擇用相同的限制酶或切割能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割質(zhì)粒和含有目的基因的DNA 片段，并且注意限制酶的切割位點(diǎn)不能位于目的基因的內(nèi)部，以防破壞目的基因，限制酶也不能破壞質(zhì)粒的啟動子、終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。
（2）在第③步中，為了使質(zhì)粒DNA與目的基因能連接，還需要在混合物中加入哪種物質(zhì)？
（3）選用含有 AmpR 和 LacZ 基因的質(zhì)粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有哪些優(yōu)勢？
該質(zhì)粒便于進(jìn)行雙重篩選。標(biāo)記基因 AmpR 基因可用于檢測質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，一般只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長。而由于 LacZ 基因的效應(yīng)，這些生長的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)粒(沒有連接目的基因的質(zhì)粒)的大腸桿菌菌落呈藍(lán)色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。
（4）含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落將呈現(xiàn)什么顏色？為什么？
含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。 因?yàn)槟康幕虻牟迦肫茐牧?LacZ基因的結(jié)構(gòu)，使其不能正常表達(dá)，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不會被分解。
2.科學(xué)家將 Or3/4 、 Sx2、 c-Myc 和 KIf4 基因通過逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然后在培養(yǎng)ES細(xì)胞的培養(yǎng)基上培養(yǎng)這些細(xì)胞。2-3周后,這些細(xì)胞顯示出ES細(xì)胞的形態(tài)、具有活躍的分裂能力，它們就是iPS細(xì)胞。請回答下列問題。
（1）在這個實(shí)驗(yàn)過程中，逆轉(zhuǎn)錄病毒的作用是什么？
逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源基因Oct3/4、Sx2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纖維細(xì)胞。
（2）如何證明iPs細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用？
可以設(shè)置對照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒有轉(zhuǎn)人外源基因的細(xì)胞分別培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，并確保其他培養(yǎng)條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了iPS細(xì)胞，就可以證明iPS細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用。
（3）如果要了解 Or3/4 、 Sx2、 c-Myc 和 KIf4 基因在誘導(dǎo)iPs細(xì)胞時，每個基因作用的相對大小，該如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？請你給出實(shí)驗(yàn)設(shè)計的思路。
可以依次去掉1個基因，將其他3個基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然后通過與轉(zhuǎn)入4個基因的小鼠成纖維細(xì)胞的誘導(dǎo)情況進(jìn)行比較，來推測缺失的那個基因?qū)φT導(dǎo)iPS細(xì)胞的影響，進(jìn)而判斷每個基因作用的相對大小。（其他合理答案均可）
（4）若將病人的皮膚成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)成iPs細(xì)胞，再使它轉(zhuǎn)化為需要的細(xì)胞，用這些細(xì)胞給該病人治病，這是否會引起免疫排斥反應(yīng)?為什么？ iPS細(xì)胞具有分裂活性，用它進(jìn)行治療時可能存在什么風(fēng)險？
不會引起免疫排斥反應(yīng)，因?yàn)樵谡T導(dǎo)轉(zhuǎn)化的過程中細(xì)胞的遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生變化，理論上產(chǎn)生的還是“自體”細(xì)胞。iPS細(xì)胞擁有分化為各種細(xì)胞的潛能，因此存在分化成腫瘤細(xì)胞的風(fēng)險。
3.水稻根部一般沒有根瘤菌，在種植時常需要施加氮肥?？茖W(xué)家想利用基因工程技術(shù)來減少施用氮肥的生產(chǎn)成本及可能造成的環(huán)境污染，他們提出了以下兩種方案。方案一　把根瘤菌的固氮相關(guān)基因?qū)胨靖滴⑸镏?，使微生物能在根系處固氮，從而減少氮肥的施用量。方案二　直接將固氮相關(guān)基因?qū)胨炯?xì)胞中，建立水稻的“小型化肥廠”，讓水稻直接固氮，這樣就可以免施氮肥了。
(1)請評估這兩種方案哪種更容易實(shí)現(xiàn)。
從親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近來看，固氮相關(guān)基因可能更容易在水稻根系微生物中穩(wěn)定存在和表達(dá)，進(jìn)而使其具有固氮的能力。
(2)如果兩個方案都實(shí)現(xiàn)的話，你認(rèn)為哪種更值得推廣？ 請說出你的理由。
此題不要求有唯一的答案，學(xué)生可從便捷性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行分析，言之成理即可。例如，從便捷性角度認(rèn)為能固氮的水稻新品種更值得推廣；或從轉(zhuǎn)基因安全性角度認(rèn)為能固氮的水稻根系微生物更值得推廣等。

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第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修3

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