隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)、計算生物學(xué)以及人工智能計算的飛速發(fā)展，基于理性的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計為食品蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能改造提供了高效的途徑。蛋白質(zhì)生物分子在催化、營養(yǎng)遞送和食品保藏等領(lǐng)域能夠發(fā)揮重要的作用，通過蛋白質(zhì)理性設(shè)計可以有效地改變蛋白質(zhì)分子的理化性質(zhì)和功能，并極大地促進(jìn)功能性蛋白質(zhì)分子在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

　　近日，西南大學(xué)川渝共建特色食品重慶市重點實驗室張宇昊教授和陳海副教授綜述了基于理性設(shè)計的功能性蛋白結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展及其在食品科學(xué)中的應(yīng)用。本文介紹了蛋白質(zhì)折疊和組裝的基本原理以及蛋白質(zhì)理性設(shè)計的原則和策略，同時重點討論了蛋白質(zhì)理性設(shè)計在食品科學(xué)領(lǐng)域中的最新研究進(jìn)展，從酶的改造、籠狀蛋白質(zhì)制備和抗菌肽的優(yōu)化等方面進(jìn)行了綜述，并提出了基于蛋白質(zhì)理性設(shè)計策略制備性能優(yōu)良的蛋白質(zhì)生物分子所面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢。

 

　　根據(jù)綜述內(nèi)容可知，蛋白質(zhì)所具有的功能很大程度上取決于其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，通過理性的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改造可以賦予蛋白質(zhì)特殊的功能特性。目前，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要包括經(jīng)驗性結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)預(yù)測、計算機(jī)輔助蛋白重設(shè)計以及從頭設(shè)計。其中，與經(jīng)驗性的蛋白結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，計算輔助設(shè)計的方法可以極大地減少實驗工作量，增加成功的機(jī)會。另外，由于蛋白質(zhì)折疊機(jī)制以及結(jié)構(gòu)功能之間的關(guān)系十分復(fù)雜，從頭設(shè)計蛋白質(zhì)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

　　雖然蛋白質(zhì)理性設(shè)計為食品功能蛋白質(zhì)的制備提供了可能，但仍然存在一些需要解決的問題。首先，成本管理對食品生產(chǎn)尤為重要，因為大多數(shù)設(shè)計的蛋白質(zhì)從工程菌株中獲得，其產(chǎn)量受到序列突變的高度影響，因此，提高產(chǎn)量、降低成本是解決目標(biāo)蛋白實際應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是蛋白質(zhì)設(shè)計中應(yīng)考慮的重要因素。其次，由于蛋白質(zhì)設(shè)計伴隨著對蛋白質(zhì)序列的修飾和改變，不可避免的會產(chǎn)生對人體可能有害的蛋白片段，因此，應(yīng)該重視全面系統(tǒng)的安全評價，尤其是對人們直接食用的食品蛋白質(zhì)。最后，在多組分復(fù)雜的食品體系中添加改造后的蛋白質(zhì)時，其穩(wěn)定性、活性或功能可能會受到食品復(fù)雜基質(zhì)的干擾，進(jìn)一步的探究也是必要的。

 

　　相關(guān)成果以“Advances in Rational Protein Engineering toward Functional Architectures and Their Applications in Food Science”為題目發(fā)表在ACS旗下的農(nóng)林科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry（Q1，IF：5.279）上。西南大學(xué)張宇昊教授為本文通訊作者，陳海副教授為第一作者及共同通訊作者。本研究得到國家重點研發(fā)計劃（2021YFD2100105），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（SWU120055，XDJK2019B028，XDJK2020B044），國家自然科學(xué)基金項目（31972102，32072137，31901683，32001810）的資助。