所謂蛋白質工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定向突變和基因的表達來改造蛋白質，以期獲得性質和功能更加完善的蛋白質分子。
蛋白質是生命的化身，沒有蛋白質，生命將不復存在。然而，生物體內存在的壹些天然蛋白質往往不能令人滿意，需要加以改造。由於蛋白質是由許多氨基酸按壹定順序連接而成，每種蛋白質都有自己獨特的氨基酸序列，因此改變關鍵氨基酸就能改變蛋白質的性質。而氨基酸是由三重密碼決定的，只要改變構成遺傳密碼的壹兩個堿基就可以達到改造蛋白質的目的。蛋白質工程的壹個重要方法，就是根據人們的需要，重新設計負責編碼某種蛋白質的基因，使合成的蛋白質更符合人類的需要。這種通過使壹個或幾個堿基發生定點突變來改變蛋白質分子結構的技術被稱為基因打靶。
蛋白質工程是在重組技術、生物化學、分子生物學、分子遺傳學等學科基礎上發展起來的，集蛋白質晶體學、蛋白質動力學、蛋白質化學和計算機輔助設計等多學科於壹體的新興研究領域。其內容主要有兩個方面：壹是根據需要合成具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質；二是確定蛋白質的化學組成和空間結構與其生物學功能之間的關系。在此基礎上，實現從氨基酸序列預測蛋白質的空間結構和生物學功能，設計合成具有特定生物學功能的新蛋白質，這也是蛋白質工程最根本的目標之壹。
目前，蛋白質工程還沒有統壹的定義。壹般認為，蛋白質工程是通過基因重組技術改變或設計合成具有特定生物學功能的蛋白質。事實上，蛋白質工程包括蛋白質的分離和純化，蛋白質結構和功能的分析、設計和預測，以及通過基因重組或其他手段改變或創造蛋白質。從廣義上講，蛋白質工程是通過物理、化學、生物和基因重組技術對蛋白質進行改造，或設計和合成具有特定功能的新蛋白質。
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蛋白質工程的基本途徑
從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→尋找相應的核糖核苷酸序列（RNA）→尋找相應的脫氧核苷酸序列（DNA序列（DNA）
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研究的核心內容
蛋白質結構分析
蛋白質工程的核心內容之壹是收集大量有關蛋白質分子結構的信息，以建立結構與功能關系的數據庫、並為蛋白質結構與功能關系的理論研究奠定基礎。三維空間結構的測定是驗證蛋白質設計假設的必要手段，即證明新結構改變了原有的生物學功能。晶體學技術在確定蛋白質結構方面有了很大發展，但最明顯的不足是需要分離足夠量的純蛋白質（幾毫克到幾十毫克），制備單晶體，然後進行繁瑣的數據收集、計算和分析。
此外，蛋白質的晶體狀態與自然狀態不同，分析時必須考慮到這壹點。核磁 **** 振動技術可以分析液態肽鏈的結構。這種方法繞過了結晶和 X 射線衍射成像分析的困難，直接分析蛋白質在自然狀態下的結構。現代核磁共振****振動技術已從壹維發展到三維，在計算機的輔助下，可以有效地分析和直接模擬蛋白質的空間結構、蛋白質與輔因子和底物的結合以及酶催化的動態機制。從某種意義上說，核磁 **** 振動可以更有效地分析蛋白質的突變。國外許多研究機構都在研究蛋白質與核酸的結合以及酶抑制劑與蛋白質的結合，以開發具有高度特異性的
藥用蛋白質。
結構和功能的設計與預測
根據對天然蛋白質的結構和功能分析所建立的數據庫中的數據，可以預測某些氨基酸序列的肽鏈空間結構和生物學功能；反之，也可以根據特定的生物學功能設計蛋白質的氨基酸序列和空間結構。通過基因重組等實驗，可以直接考察和分析結構與功能之間的關系；還可以通過分子動力學、分子熱力學等，根據能量最低、同壹位置的兩個原子不能同時運動等基本原理，分析和計算蛋白質分子的三維結構和生物學功能。雖然這方面的工作還處於起步階段，但可以預見的是，未來可以建立壹套完整的理論來解釋結構與功能之間的關系，從而用於設計和預測蛋白質的結構和功能。
創造和改造
改造蛋白質的方法很多，從簡單的物理和化學方法到復雜的基因重組。物理化學方法：使蛋白質變性、變性，修飾蛋白質側鏈官能團，拆分肽鏈，改變表面電荷分布，促使蛋白質形成壹定的立體形象等；生物化學方法：利用蛋白酶選擇性地拆分蛋白質，利用轉糖苷酶、酯酶、酰化酶等去除或連接不同的化學基團，利用轉氨基酶使蛋白質粘合在壹起等。上述方法只能對相同或相似的基團或化學鍵起作用，缺乏特異性，不能對特定位點起作用。而利用重組技術或合成 DNA，不僅可以改造蛋白質，而且可以實現從無到有地合成全新的蛋白質。
蛋白質是由不同氨基酸按壹定順序通過肽鍵連接而成的肽組成的。氨基酸序列是蛋白質的壹級結構，它決定了蛋白質的空間結構和生物學功能。氨基酸序列是由合成蛋白質的基因的 DNA 序列決定的，改變 DNA 序列就能改變蛋白質的氨基酸序列，實現蛋白質的可調生物合成。在確定基因序列或氨基酸序列與蛋白質功能的關系之前，宜采用隨機誘變的方法，造成堿基對的缺失、插入或替換，這樣就可以將研究目標限定在壹定區域內，從而大大縮短基因分析的時間。壹旦目標 DNA 明確，就可以應用定位誘變等技術。
蛋白質中的氨基酸是由基因中的三聯碼決定的，改變其中的壹個或兩個就可以改變氨基酸。通常，改變某個位置的氨基酸是為了研究蛋白質的結構、穩定性或催化特性。噬菌體 M13 的生命周期分為兩個階段。它的基因組在噬菌體顆粒中是單鏈的，入侵宿主細胞後通過復制以雙鏈形式存在。將要研究的基因插入載體 M13，制作單鏈模板，人工合成壹段寡核苷酸（含有壹個或幾個未配對的堿基）作為引物，合成相應的互補鏈，用 T4 連接酶將其連接成閉環雙鏈分子。轉染大腸桿菌後，雙鏈分子在細胞內分別復制，從而得到兩種噬菌體斑點，其中含有錯配堿基的斑點為突變型。然後將突變型蛋白質轉移到合適的表達系統中進行合成。
盒突變是威爾斯於 1985 年提出的壹種基因修飾技術，它可以在壹個位點上同時產生 20 種不同的氨基酸突變體，可用於蛋白質分子中重要氨基酸的 "飽和 "分析。對蛋白質分子中的重要氨基酸進行 "飽和 "分析。利用定位誘變技術，在要修改的氨基酸代碼兩側創建兩個內切酶切點，而這兩個切點在原始載體和基因上是不存在的，用這種內切酶消化基因，然後用合成的雙鏈 DNA 片段取代消化部分，使其發生不同的變化。這樣，只需壹次處理就能獲得多個突變基因。
PCR 技術 DNA 聚合酶鏈反應是最廣泛使用的基因擴增技術。突變基因是以研究基因為模板，以合成寡核苷酸（含有壹個或多個非互補堿基）為引物，直接進行基因擴增反應而產生的。分離出突變基因後，在合適的表達系統中合成突變蛋白。這種方法直接、快速、高效。
要從大量野生型背景中篩選突變表型，高突變率技術費時費力。目前有兩種新的高突變率突變方法：負鏈硫化：核苷酸之間的磷酸基的氧被硫取代，然後修飾劑（α-(S)-dCTP）對某些內切酶具有抗性，在引物和（α-(S)-dCTP）存在的情況下合成負鏈，然後用內切酶處理，結果只在正鏈上出現壹個 "缺口"。用核苷酸外切酶Ⅲ從 3'→5'擴大缺口，超過陰性鏈中的錯配核苷酸，然後在聚合酶的作用下修復陽性鏈，可得到兩條鏈都是突變基因；②UMP 陽性鏈法：大腸桿菌突變菌株 RZ1032 缺乏尿嘧啶糖苷酶和UTP酶，在該宿主中 M13 可以摻入尿嘧啶（U）而不是胸腺嘧啶（T），無需修飾。用這種含 U 的模板產生的突變雙鏈轉化正常的大腸桿菌，結果是含 U 的正鏈被宿主降解，而突變的負鏈被保留和復制。
蛋白質融合將編碼壹種蛋白質的基因的壹部分移植到另壹種蛋白質基因上，或將不同蛋白質基因的片段結合起來，通過基因克隆和表達產生新的融合蛋白質。這種方法可以將不同蛋白質的特性集中在壹種蛋白質上，從而大大改變蛋白質的特性。目前研究較多的所謂 "嵌合抗體 "和 "人源化抗體 "就是基於這種方法。
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實際應用
提高蛋白質的穩定性
葡萄糖異構酶（GI）被廣泛應用於工業領域，為了提高其熱穩定性，朱國平等人在測定了第138位甘氨酸的含量後，將其命名為葡萄糖異構酶（GI）。將含有突變體的重組質粒在大腸桿菌中表達，結果表明突變體 GI 的熱半衰期是野生型的兩倍，最適反應溫度提高了 10-12℃，酶的比活度不變。據分析，Gly138被Pro取代後，由於引入了壹個吡咯環，而這個側鏈正好能填充Gly138附近的空腔，使蛋白質的空間結構更加堅硬，因此可能會提高酶的熱穩定性。
融合蛋白
腦啡肽（Enk）N端5肽的線性結構是與δ型受體--幹擾素（IFN）（壹種廣譜抗病毒和抗腫瘤細胞因子）結合的重要功能區。Mengfeng Lai 等人用化學方法合成了 Enk N 末端 5 肽的編碼區，並通過 3 肽編碼區與人類 α1 型 IFN 基因連接，在大腸桿菌中表達了這種融合蛋白。以人結腸腺癌細胞和多形性膠質瘤細胞為體外模型，采用 3H 胸苷核苷摻雜試驗證明，該融合蛋白在抑制腫瘤細胞生長方面的活性明顯高於單獨的 IFN。
蛋白質活性的改變
通常，人體血液中的胰島素水平在餐後 30-60 分鐘達到峰值，並在 120-180 分鐘內恢復到基礎水平。然而，目前臨床上使用的胰島素制劑在註射後 120 分鐘才達到峰值，並持續 180-240 分鐘，這與人體生理狀況不符。實驗表明，胰島素在高濃度（大於 10-5 摩爾/升）時以二聚體形式存在，而在低濃度（小於 10-9 摩爾/升）時主要以單體形式存在。設計速效胰島素的原則是避免胰島素形成聚合物。胰島素樣生長因子-I（IGF-I）與胰島素具有高度的同源性和三維結構相似性，但 IGF-I 不會形成二聚體。IGF-I 的 B 結構域（相當於胰島素的 B 鏈）具有以下氨基酸序列 B28-B29 氨基酸序列與胰島素 B 鏈的 B28-B29 相比是倒置的。因此，將胰島素 B 鏈改為 B28Lys-B29Pro，以獲得單體速效胰島素。這種速效胰島素已通過臨床試驗。
癌癥治療酶的改造
癌癥的基因治療分為兩個方面：壹是藥物作用於癌細胞，特異性地抑制或殺死癌細胞；二是藥物保護正常細胞不受化學藥物的影響，可以增加化療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸苷激酶（TK）催化胸腺嘧啶和其他結構類似物（如 GANCICLOVIR 和 ACYCLOVIR 無環鳥苷）的磷酸化。由於 GANCICLOVIR 和 ACYCLOVIR 的 3' 端缺少羥基，因此會終止 DNA 的合成，進而殺死癌細胞。 HSV -TK TK 催化 GANCICLOVIR 和 ACYCLOVIR 的能力可通過基因突變得到增強。O6-烷基鳥嘌呤是 DNA 經烷化劑（包括亞硝基化療藥物）處理後形成的主要誘變劑和細胞毒素，因此這些亞硝基藥物的使用劑量有限。O6-烷基鳥嘌呤-DNA烷基轉移酶 O6-烷基鳥嘌呤-DNA烷基轉移酶（AGT）能夠將鳥嘌呤 O6 上的烷基去除，起到保護作用。通過逆轉錄病毒轉染，人類 AGT 在小鼠骨髓細胞中得到了表達和保護。通過突變處理獲得了壹些正突變的 AGT 基因，它們的活性都比野生型高，其中壹個突變基因在 139 位的脯氨酸被丙氨酸取代。
嵌合抗體和人源化抗體
免疫球蛋白呈 Y 型，由兩條重鏈和兩條輕鏈通過二硫鍵相互連接而成。每條鏈可分為可變區（N 端）和恒定區（C 端），抗原的吸附位點在可變區，細胞毒素或其他功能因子的吸附位點在恒定區。每個可變區中有三部分氨基酸序列高度可變，在三維結構上，β-折疊末端的松散結構（CDR）是抗原的結合位點，其余部分是 CDR 的支持結構。CDR 的結構在不同物種之間是保守的，因此可以通過蛋白質工程對抗體進行改造。
小鼠單克隆抗體會被人體免疫系統排斥，無法發揮其潛在的治療作用。嵌合抗體是指用人類抗體的恒定區取代鼠單克隆抗體的恒定區，從而大大降低其免疫原性。例如，用於治療直腸結腸腺癌（COLORECTALADENOCARCINOMA）的單克隆抗體 Mab17-1A。雖然嵌合抗體仍存在免疫原性問題，但已有幾種嵌合抗體通過了臨床試驗。所謂人源化抗體，是指將抗原吸附區嫁接到人類抗體上，使抗體上的外源肽鏈減少到最低限度，從而將免疫原性降至最低。然而，只有 CDR 被嫁接到人源抗體上，而人源抗體對抗原的吸附能力很小，因此必須添加幾個框架氨基酸殘基才能保持原有的吸附能力。這就造成了免疫原性和抗原吸附性之間的矛盾。通過逐個替換氨基酸或計算機模擬分析，可以在保持原有吸附力的前提下盡可能降低免疫原性。第壹個臨床應用的人源化抗體 CAMPATH-1H 用於治療淋巴肉芽腫病和類風濕性關節炎，盡管療效顯著，但半數以上的患者出現了免疫反應。其他人源化抗體，如用於治療脊髓白血病的ANTI-CD33，其免疫反應微乎其微。
蛋白質工程的進展
目前，蛋白質工程是發展較好、較快的分子工程。這是因為在蛋白質的分子設計之後，高效的基因工程已經可以應用於蛋白質的合成。最早的蛋白質工程是 Forsht 等人在 1982-1985 年間對酪氨酸-t-RNA 合成酶進行的分子改造工作。他通過 XRD（X 射線衍射）測定了酶的底物結合位點結構，通過定位突變改變了與底物結合的氨基酸殘基，並用動力學方法測定了所得變體酶的活性，從而深入探索了酶與底物相互作用的機理。Perry（1984）通過將溶菌酶中的Ile（3）轉化為Cys（3），並進壹步氧化生成Cys（3）-Cys（97）二硫鍵，使酶的熱穩定性增加，顯著提高了這種食品工業酶的應用價值。1987年Forsht通過將枯草桿菌蛋白酶分子表面的Asp（99）和Glu（156），改為Lys，又導致了酶活性的發展，並使酶活性發生了變異。通過將枯草桿菌蛋白酶分子表面的 Asp（99）和 Glu（156）改為 Lys，導致活性中心 His（64）質子 pKa 從 7 降到 6，酶在 pH = 6 時的活力提高了 10 倍。工業用酶的最佳 pH 值的改變預示著巨大的經濟效益。蛋白質工程還能改變酶的催化活性、底物特異性、抗氧化性、熱變性和堿性變性。這顯示了蛋白質工程的威力及其光明的前景。上述例子是通過替換和刪除關鍵氨基酸殘基進行蛋白質工程的壹種。1988 年，杜邦公司宣布成功設計並合成了壹種由 4 個反平行 α-螺旋和 73 個氨基酸殘基組成的蛋白質。這表明，通過全新設計折疊新蛋白質的目標指日可待。預測結構的建模方法在奠定分子生物學基礎方面發揮了重要作用。人們越來越清楚地認識到，蛋白質的初級結構包含了高級結構的信息。將建模與分子工程相結合來預測高級結構已成為壹個備受關註的問題。
蛋白質工程學匯集了當代分子生物學和其他學科壹些前沿領域的最新成果，它將核酸與蛋白質結合、蛋白質空間結構和生物功能的研究結合在壹起。蛋白質工程學將蛋白質和酶的研究推進到壹個嶄新的時代，為蛋白質和酶在工業、農業和醫學領域的應用開辟了誘人的前景。蛋白質工程開創了按照人類意願改造和創造蛋白質以滿足人類需求的新時代。
蛋白質工程的前景
蛋白質工程的進展展示了誘人的前景。例如，科學家通過改造胰島素，使其成為壹種速效藥物。如今，生物和材料科學家正在積極探索蛋白質工程在微電子領域的應用。用蛋白質工程方法制造的電子元件具有體積小、功耗低、效率高等特點，因此具有極其廣闊的發展前景。