北大昌增益：蛋白质工程先遣技术待突破

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　　蛋白质是生物体内“神奇的分子”，它们是生命活动的直接执行者，参与生命的几乎所有过程。成千上万种的蛋白质结构和功能是什么样的，它们之间如何相互作用，蛋白质的神奇面纱仍等待着科学家们一层层揭开。

　　北京大学跨院系蛋白质科学中心主任昌增益指出，尽管蛋白质工程已经在生命科学领域的大舞台上崭露头角，但现阶段认知还很有限，对蛋白质结构和功能进行研究的方法和系统还远不够完善。而这些，终究会掣肘蛋白质工程在应用领域大施拳脚。

　　神奇的分子

　　头发丝和胰岛素，看似风马牛不相及，它们却都是由20种天然氨基酸组成。

　　“20种氨基酸，好比是20个最基本的字母。这些‘字母’组合、排序，形成了人体内的大约4万种蛋白质，这些蛋白质帮助我们完成思维、观察、获取能量等活动，它们在生物体内发挥着各种各样的作用。”昌增益表示，从细菌到人类，生物体内的蛋白质有千万种，它们以功能最多的生命分子的角色参与着生物体的生、老、病、死。

　　在昌增益眼中，蛋白质具有组成单位上的高度统一性和功能上的高度多样化，可谓“神奇的分子”。

　　从事蛋白质研究的科学家们一直被蛋白质的“神奇”所吸引，他们不断为揭示蛋白质在生物体内如何发挥功能以及蛋白质之间相互作用的机理而努力。

　　昌增益介绍说，蛋白质之间的相互作用具有高度的特异性。通过这样的相互作用，一种蛋白质分子将会发挥不同的生物学功能。

　　“以前我们习惯将蛋白质比喻成‘机器’，仔细想想这个比喻不够贴切，它有‘生命’，会对不同环境作出响应，在发挥作用时还需要其他蛋白质的配合，而且它绝不会‘乱来’。”昌增益进一步解释说。

　　应用价值不可估量

　　蛋白质研究在医疗领域的应用意义非凡。有的蛋白质可以直接用作治病救人的药物。比如胰岛素，很早就用于治疗糖尿病；被誉为“病毒的克星”的干扰素，起初只是用来对付流感、肝炎这样的小毛病，现在治疗癌症、白血病都离不开它。

　　另外，蛋白质分子还可以作为药物“靶标”。 “靶标”蛋白质分子可能是特定代谢途径或信号传导途径中的关键分子，通过对它们功能的抑制或激活而达到抑制病原细菌或病毒的生长，抑制或促进人体的某些生理过程，从而实现治疗疾病的目的。

　　美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡正是因为对“G蛋白偶联受体”这类细胞膜蛋白质方面的出色研究而获得了2012年诺贝尔化学奖。

　　除了对人类健康的贡献外，蛋白质在工业中也彰显出不可估量的价值。许多工业用化学催化剂不仅自身容易造成环境污染，其发挥作用的条件（如需要高温、强酸强碱等极端条件）还会带来二次污染。而酶这一大类蛋白质分子是生物体内高效特异的催化剂，其发挥功能的条件非常温和，用于工业生产将实现绿色环保的目的。

　　目前借助基因工程手段，人们已经能够对已知蛋白质进行改造，甚至从头设计。那些难以大量获得的蛋白质，就可以通过基因技术来制备。基因工程也可以使得某些具有工业应用前景的蛋白质变得更稳定。

　　研究方法和系统待完善

　　但真正实现上述目标绝非易事。谈及这些年来从事蛋白质研究的经历，昌增益笑言自己“像侦探一样”。对人类基因组DNA序列的测定结果表明，在人类基因组所编码的大约4万种蛋白质中，仍有一半以上是科学家还从来“没有碰过”的。“它们在生物体内，可能产生的量极低，也可能存在的寿命极短，对这些蛋白质开展研究自然是很具挑战性的。”昌增益如是说。

　　“蛋白质大多数是不稳定的，其三维空间结构很容易被破坏从而丧失其生物学功能。所以，在生物体以外对蛋白质的直接应用，使其保持活性是一个很大的挑战。”但有趣的是，部分蛋白质又极其稳定和长命，如有些生活在温泉中的细菌中的蛋白质在80℃~90℃还能维持其三维空间结构，发挥着其生物学活性；人眼球晶状体中的蛋白质会一辈子都跟着你。

　　“在基因工程的基础上发展起来的蛋白质工程，大有文章可做。”昌增益期许。

　　目前，分子生物学家们已经能够通过对蛋白质进行修饰、改造、拼接，使蛋白质“升级换代”。

　　例如，人们对药物蛋白进行PEG（聚乙二醇）修饰，可以延长药物蛋白的作用半衰期；在工业上有着广泛应用的葡萄糖异构酶，对其基因进行定点诱变，就可以提高其热稳定性；转入多拷贝串联的金属硫蛋白α-结构域编码基因的转基因植株，有着比野生植株更强的对重金属的抗性等等。（实习生 赵广立）

　　《中国科学报》 (2013-03-13 第7版 生物周刊)