纤维素酶和其分子模拟研究.pdfVIP

第二届中国资源生物技术与糖工程学术研讨会论文集 2007．07．15．18威海 纤维素酶及其分子模拟研究 曾炳佳曹以诚杜正平陈晓曦 华南理工大学生物科学与工程学院广州510006 摘要：纤维素酶在降解纤维素并转化为燃料酒精的过程中起着重要作用，因此人们一直在寻找有效 改良纤维素酶的方法，近年兴起的分子模拟技术是较好的方法。它主要运用计算机技术、生物信息 学、分子力学等进行蛋白质结构模拟和分子设计，为蛋白质工程和酶的理性设计提供了一种崭新的 手段。分子模拟技术研究纤维素酶理性设计的应用主要有：从序列、结构上研究酶的功能氨基酸； 理性设计突变位点并模拟突变体结构；分子对接研究酶和底物相互作用；分子动力学模拟研究酶性 质等。随着生物信息学和结构生物学的理论、模型、方法和实现软件的不断完善和发展，分子模拟 技术在酶的理性设计过程中正不断显示出巨大的生命力。 关键词：纤维素酶分子模拟技术蛋白质工程理性设计生物信息学 1．纤维素与纤维素酶 植物纤维素是地球上大量存在的可再生资源，随着全球可预见的能源紧缺，这一资 源的利用得到了人们的重视，利用微生物产生的纤维素酶来分解和转化纤维素则是纤维 素利用的有效途径。其中，木质纤维素是生产燃料酒精的一种低成本原料，如甘蔗渣、 秸秆、木屑和木材废弃物等。目前，有效利用木质纤维素生产燃料酒精主要有两个步骤： 利用纤维素酶处理木质纤维素，使其降解成可发酵的葡萄糖或低聚糖；利用酵母等将可 发酵糖转化为燃料酒精。其中，第一步是限制步骤，不仅要提高纤维素酶的稳定性，而 且还要在原料处理的苛刻条件下提高酶的有效活性。因此，纤维素酶的研究集中在野发 J。 高效、热稳定性好、能与其它酶混合产生协同增效作用来满足生产燃料酒精的需要【1 纤维素酶的研究自1904年在蜗牛消化液中被发现以来，至今已经历四个发展阶段： 第一阶段是1980年以前，主要用简单的生化方法对混合纤维素酶进行分离纯化，但由于 酶的来源广泛、组分复杂，故进展缓慢；第二阶段是1980年至1988年，利用基因工程的 方法对纤维素酶基因进行克隆表达和基因、蛋白质序列测定；第三阶段是1988年至2000 年，利用结构生物学及蛋白质工程的方法对酶分子的结构和功能关系进行研究，包括结 构域的拆分、解析、功能性氨基酸的确定、水解催化双置换机制的确立，分子折叠和催 化机制关系的探讨等；第四阶段是2000年至今，主要是对纤维素酶分子进行定向进化和 理性设计研究以满足工业要求。 人们一直在寻找有效改良纤维素酶的方法，随着计算机科学和生物信息学的发展， 以及计算机辅助药物设计的成功，近年兴起的分子模拟技术是较好的方法，该技术主要 进行蛋白质结构模拟和分子设计，为蛋白质工程和酶的理性设计提供了一种崭新的手 段。 2．理性设计与分子模拟技术 理性设计区别于以往的盲目的随机突变在于有目的的去突变某一个或一系列的氨 基酸，并且突变前能够推测出突变体的酶学性质。目前已利用理性设计突变位点技术对 天然酶蛋白的催化活性、抗氧化性、底物特异性、热稳定性及改善产物抑制、改进酶的 别构效应等进行了成功的改造【2J。然而，理性设计方法仅适用于三维结构清楚、结构和 功能的相互关系也较清楚的酶，故理性设计受到了不少的限制，但分子模拟技术的出现 打破了这种限制。 目前，计算机模拟已经成为继实验、理论之后的第三种研究手段，在各个领域都得 到了广泛应用，并且发展迅速。分子模拟技术应用在酶的理性设计上也是如此，其总体 趋势是计算模拟精度越来越高，与实验结合也日趋紧密。分子模拟技术可以用于酶的催 化机制、活性、稳定性等性质进行理论模拟及预测，并为进一步酶的理性设计改造提供 指导。分子模拟技术不但为蛋白质的结构和功能模拟提供了一种崭新的手段，同时该技 第二届中国资源生物技术与糖工程学术研讨会论文集 2007．07．15．18威海 术在结构与功能关系分析、分子设计等过程中有着广泛的应用，正不断显示出巨大的生 命力【3】o 众所周知，在极端环境下的纤维素酶具有特殊的耐酸碱、耐热等性质，通过分子模 拟等方法研究这些特殊性质与结构之间的关系，使之与特殊的氨基酸或者结构特征相联 系。人们就可以将这些结构特征引入到待改造的纤维素酶中，利用定点突变等基因工程 手段