刘玉波
哈尔滨派斯菲科生物制药股份有限公司 黑龙江 哈尔滨 150025
摘要：在我国进入21世纪快速发展过程中，为保证无细胞蛋白表达体系的合理运用，提升制药水平，分析了生物制药工程中无细胞蛋白表达体系的运用优势，即:简化蛋白表达体系，稳定蛋白质表达体系，降低制药成本。介绍了无细胞蛋白表达体系的分类，分析其在生物制药工程中的具体应用。可以引入非天然氨基酸，重组蛋白药物生产，实现蛋白的高通量表达，简化制药流程。
关键词：生物制药工程;无细胞蛋白;表达体系;运用
引言
荧光蛋白自发现以来,因其具有基因编码、可以自主发出稳健荧光的特点,在生命科学领域中发挥着重要作用.随着对荧光蛋白的结构和功能有了更清晰的认识,在蛋白质工程技术和有机合成迅速发展的基础上,科研工作者可以对荧光蛋白的结构进行设计改造和模拟,赋予其新的性质和功能,扩宽其在生物传感、生物成像等生命领域的应用.本文以绿色荧光蛋白的结构改造为主线,从局部结构改变、桶状结构重构和表面重构等不同层面阐述了荧光蛋白结构改造的方法以及荧光蛋白模拟物的研究进展,并介绍了这些荧光蛋白及其模拟物在生物领域的代表性应用.
1生物技术
生物技术作为一种高新技术，是有助于保障民生的高新技术，这也是生物技术的发展与普遍应用之间的必然性，但是受限于发展时间、技术、理念等因素的影响，虽然在当前背景下依旧有着极其重要的价值体现，但是我们不能“拿着金碗去要饭”。守着技术含量极高的生物技术而不进行技术研究与突破，满足于当前阶段的微薄之利，对于生物技术本身的价值而言，这是极大的浪费。
2生物制药工程中无细胞蛋白表达体系的运用
2.1生物功能膜材料
近年来，以角蛋白为原料生产性能良好的可降解生物功能膜材料是对传统环境有害的石油基合成膜材料的一种有效替代。但是，与传统的合成类膜材料相比，角蛋白分子结构中存在大量的氨基、羧基、羟基等亲水性基团，同时，角蛋白分子结构中含有大量的双硫键、氢键和疏水相互作用，致使角蛋白在许多常见溶剂(水、稀酸、稀碱等)中的溶解度和机械强度偏低。角蛋白分子成膜能力差，角蛋白膜普遍存在脆性和强亲水性等缺点，导致其力学性能和屏障性能无法满足消费者的需求。因此，近年来，研究者致力于采用交联改性、共混改性等方法来改善角蛋白基膜材料的应用性能。以过氧乙酸部分氧化法提取的羽毛角蛋白(FK)和海藻酸钠(SA)为成膜剂，山梨糖醇为塑化剂，采用溶液铸膜技术共混改性制膜。FK和SA共混膜的结构均匀、紧凑，没有明显的相分离现象，说明FK与SA具有良好的相容性。研究发现FK和SA两种组分通过氢键相互作用形成了稳定的交联网络结构，FK与SA的结合显著提高了FK膜的机械强度和延展性，共混膜具有较高的透明度，拓宽了角蛋白基薄膜在包装和生物医药领域中的应用。由于角蛋白和大豆分离蛋白中都含有丰富的巯基，以角蛋白和大豆分离蛋白为原料，通过双硫键的交联作用，制备了可再生蛋白质复合薄膜材料。角蛋白-大豆分离蛋白复合薄膜具有较强的力学性能，可用作食品或药用生物活性膜材料。以角蛋白和水滑石为原料制备生物功能膜材料。角蛋白-水滑石生物复合膜材料具有低溶胀性、高热稳定性和优异的生物降解性，有利于细胞的粘附和增殖，可用于伤口愈合和组织工程。采用亚微米半胱氨酸颗粒作为界面改性剂对角蛋白薄膜进行填充，研制出耐湿性好的角蛋白薄膜，薄膜在无塑化的干湿状态下具有良好的柔韧性和较高的强度。研究表明:氨基酸颗粒越小，对角蛋白薄膜的增强效果越好，在生物医用领域具有广阔的应用前景。通过巯基-烯点击反应将亲水性聚合物聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸甲酯(MPEGMA)接枝到角蛋白大分子上，制备了PEG改性角蛋白膜。
在引发剂浓度为5．5g/L、MPEGMA与角蛋白的质量比为1．5、反应温度为70℃、反应时间为1h时，接枝率可以达到128%。PEG接枝改性角蛋白膜的断裂伸长率显著提高，生物相容性良好。目前，通过对角蛋白分子结构中的巯基、氨基、羧基等活性基团进行化学修饰，有效提高角蛋白的成膜能力，克服角蛋白成膜硬、脆的缺点，进一步改善角蛋白基生物功能膜材料的力学性能，有利于扩大角蛋白基生物功能膜材料的应用范围。值得注意的是，在角蛋白改性制膜的过程中，应该避免使用和引入有毒化学试剂，因此，开发绿色环保、高效、经济的角蛋白改性方法，尤其是利用与天然高分子聚合物的协同作用制备新型角蛋白基生物功能膜材料将成为研究热点。
2.2引入非天然氨基酸
氨基酸对生物制药的质量有着非常重要的影响。氨基酸的数量和质量可以决定药物中各分子比例结构，比例不符合药物需求，会导致药物质量不达标。在以往的药物生产中，天然氨基酸占有比较大的比例，但是天然氨基酸对抑制性TＲNA识别特定终止密码子的氨酰化效果不佳，容易造成比例失调现象，这会严重影响药物质量。无细胞蛋白表达系统在生物制药中的运用可以改善这个问题。通过该体系可以大量引入非天然氨基酸，经过人工培育的氨基酸可以有效抑制TＲNA识别特定终止密码子的氨酰化，保证药物质量的可靠性。现阶段的研究中，通过在无细胞蛋白表达体系中添加非天然氨基酸底物，建立了高效便捷的反应体系，能够对目标蛋白进行选择性修饰。
2.3生物技术在细胞工程中的应用
细胞工程中的生物技术应用主要以分子生物学、细胞生物学等相关的理论为支持，细胞蓝图培养有方向习惯的细胞组织，结合生物处理工艺完成细胞的筛选与处理。生物技术在细胞工程中的应用价值显著，在药物制造方面，主要体现在抗生素药物与疫苗药物的研制与制造。通过对细胞工程的合理使用，在传统抗生素、疫苗药物的研制中，研究人员需要先将生物体感染，再从其血液、组织中提取相应的抗体，在效率方面较为落后。细胞工程中生物技术的应用有效地简化了这一过程，直接从细胞中提取相关的抗体物质，有效地提升了抗体的提升效率，细胞工程技术用于制药工程的效率以及药物的生产周期大大缩短。且基于我国人口基数大的背景，在疫苗、抗生素药物的制造中使用细胞工程技术能够显著地提升生产效率，更好的在民生保障方面发挥相应的价值。
结语
本文对荧光蛋白结构改造和模拟方法及其在生物传感中的代表性应用进行了阐述和分析.这些结构改造方法有效地优化了荧光蛋白的性质，发展了亮度更高、光稳定性、成熟更快以及不同颜色变体的荧光蛋白，赋予了荧光蛋白自组装、抗聚集等功能，扩展了荧光蛋白在生物传感、生物成像等领域的应用.在这些改造过程中，研究者对于荧光蛋白的结构与发光机制有了更好的了解，有助于开发性质更优且可用于深层组织和全身成像的荧光蛋白工具.通过对荧光蛋白的结构模拟，获得了人工手段模拟的荧光蛋白类似物，这是一个令人兴奋的概念，扩大了相关的检测目标范围.目前，仍然需要进一步改善荧光蛋白结构模拟物的亮度和光稳定性，以实现其在哺乳细胞内的有效成像.另外，基于对GFP的结构研究策略也为探究其它荧光蛋白在生物学领域中的进程提供了设计思路.
参考文献
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