酶工程简介

酶分子定向进化的研究进展及应用

郭黄英

材料与化工学院 生物工程

摘要：酶分子定向进化史模拟自然进化过程，具有适应面广、目的性强、效果显著等特点，可以在较短的时间内获得具有新的催化特性的酶突变体。定向进化可以显著提高酶活力，增强酶的稳定性，改变酶的底物专一性等，已经成为一种快速有效的改进酶的催化特性的手段。本文详细综述了酶分子定向进化的概念、过程、基本策略和核心技术，并列举了该技术在现实中的应用实例。

关键词：酶，定向进化，生物催化，应用

酶分子定向进化（enzyme molecular directed evolution）简称为酶定向进化，是模拟自然进化过程（随即突变和自然选择），在体外进行酶基因的人工随机突变，建立突变基因文库，在人工控制条件的特殊环境下，定向选择得到具有优良催化特性的酶的突变体的技术过程。

酶定向进化的基本过程包括随机突变、构建突变基因文库、定向选择等步骤

酶的定向进化技术在一定程度上弥补了定点突变技术的不足，极大地拓展了蛋白质工程学的研究和应用范围，特别是能够解决合理设计所不能解决的问题，为酶的结构与功能研究开辟了崭新的途径，并且正在工业、农业、食品业、环境保护和药物开发等领域逐渐显示其生命力。

1. 酶分子定向进化的研究背景

酶作为催化剂，已在生产精细化学品、手性药物、食品添加剂等方面得到广泛应用。但随着酶催化应用范围的不断扩大和研究的逐步深入，研究者发现，酶催化的精确性和有效性常常不能很好地满足酶学研究和工业化应用的要求，而且天然酶的稳定性差、活性低等缺陷使得酶催化效率很低，还缺乏有商业价值的催化功能。因此对天然酶分子的改造显得十分重要。

1993年，美国科学家Arnold F H L3 首先提出酶分子的定向进化的概念，并用于天然酶的改造和构建新的非天然酶。酶分子定向进化技术在一定程度上弥补了定点突变技术的不足，在过去几十年，定向进化已经成为作为生物催化剂的天然酶克服限制的重要工具，其对潜在的经济、环境、社会和医疗的影响是不可预计的，并且酶产品未来发展前景是无限的。

2. 酶分子定向进化的主要方法

2.1 易错PCR技术

易错PCR(error—prone PCR)技术是从酶的单一基因出发，在改变反应条件的情况下进行聚合酶链式反应（PCR），是扩增得到的基因出现碱基配对错误，从而引起基因突变的技术过程。在进行PCR扩增目的基因时，使碱基在一定程度上随机错配而引入多点突变，导致目的基因发生随机突变。通过构建突变库，筛选出所需的突变体；经一次突变的基因很难获得满意的结果，由此发展出连续易错PCR，即将一次PCR扩增得到的有益突变基因作为下一次PCR扩增的模板，连续反复地进行随机突变，使每一次获得的小突变累积进而产生重要