21세기 유전 기술의 몇 가지 주요 혁신

1 생물다양성

자연에는 막대한 미생물 자원이 있지만, 인간은 지금까지 극한 환경 미생물(극한성 미생물)과 비배양 미생물(비배양 미생물)이라는 두 보물창고에 접근하지 못했습니다. . 깊기 때문에 연구 개발 잠재력이 엄청납니다.

호산성, 알칼리성, 호염성, 호열성, 호염성 등 호극성 미생물로부터 사람들이 많은 귀중한 효소, 단백질 및 기타 활성 물질을 얻을 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 지난 몇 년 동안 재조합 효소 생산 기술의 개발로 인해 다양한 공급원에서 보다 저렴한 효소를 얻을 수 있게 되었습니다. 최근 몇 년간 이 분야의 발전은 부분적으로는 호극성 배양 기술의 발전뿐만 아니라 호극성 미생물의 유전자를 일반적으로 사용되는 수용 미생물 숙주로 전달하는 능력의 향상에 기인합니다. 결과적으로 사람들은 극한 환경에 강한 생체촉매가 온화하고 저렴한 성장 조건에서 생산될 수 있다고 믿을 이유가 있습니다.

그리고 실험실에서 배양할 수 있는 미생물의 종류는 자연계 전체 미생물 중 1% 미만, 즉 아직도 99%를 차지하고 있는 것으로 알려져 있습니다! 우리가 특별한 방법을 사용하기를 기다리는 배양 불가능한 미생물에 대한 규제 조치가 연구될 것입니다. 미생물 자원 연구개발 분야의 주요 탐구로서, 최신 분자생물학 방법을 사용하여 균주 분리 및 정제 단계를 우회하고 자연에서 개발 가치가 있는 미생물 유전자를 직접 검색할 수 있습니다. 배양되지 않은 미생물의 DNA를 배양 및 가축화된 숙주 유기체에 클로닝한 후, 고처리량 스크리닝 기술을 사용하여 재조합 클론에서 새로운 효소를 코딩하는 유전자를 스크리닝합니다.

우리는 미생물 세계가 인간에게 제공하는 엄청난 기회에 대해 기대하고 있습니다. 일부 지식이 풍부한 사람들은 미지의 미생물 세계가 지구상에서 가장 큰 미개발 천연 자원일 수 있다고 지적했습니다. 보물을 보유한 국가는 반드시 개발에 앞서 나갈 것입니다.

2.2 게놈 시퀀싱

DNA 시퀀싱 능력이 향상되면서 서열 분석 능력도 강화돼 새로운 유전자를 많이 발견할 수 있게 됐다. 새로운 유전자 발현 산물의 기본 효소 활성은 알려진 유전자 서열과 비교하여 추론됩니다. 물론 현재 기술 수준은 이들 효소의 특성에 대한 많은 세부사항을 추론하는 데 충분하지 않습니다. 따라서 새로 발견된 유전자는 특정 과정에서 실제로 유용한지 여부를 결정하기 위해 발현되어야 합니다. 유기체의 모든 효소가 정상적인 성장 온도에서 기능한다고 가정할 때, 초호열성 물질의 DNA 서열은 끓는점 근처에서 여전히 기능을 하는 효소를 찾는 합리적인 출발점이 될 수 있다고 말할 수 있습니다. 미생물은 영하의 온도에서도 여전히 기능을 발휘하는 효소의 원천이 될 수 있습니다.

최신 인터넷 정보에 따르면 약 60종의 미생물의 게놈 서열이 완성됐으며, 조만간 200종에 가까운 미생물의 게놈이 완성될 것으로 예상된다. 서열 분석 노력을 통해 주로 효소를 암호화하는 유전자인 수만 개의 새로운 유전자가 밝혀졌으며, 그 중 약 3분의 1은 풍부하고 매일 변화하는 그룹인 "기능적" 계열에 할당될 수 있습니다. 게놈시대가 도래하면 인류는 새로운 산업효소를 대거 발굴하게 될 것으로 예상된다.

2.3 방향성 진화

산업용 효소를 발견하는 것이 주요 목표인 모든 기술 중에서 방향성 진화(DE)가 가장 강력한 기술일 수 있습니다. DE는 다양한 새로운 효소를 발견하는 빠르고 저렴한 방법입니다. 이 새로운 종류의 효소는 특정 조건에서 천연 효소보다 더 잘 작동합니다. DE는 "개체"가 효소인 다양한 집단에서 적절한 "개체"를 선택하는 데 의존하는 자연 진화를 시뮬레이션합니다. DE는 방향성이 있습니다. 즉, 선택된 다양한 효소가 특정 예상 표준을 충족해야 하도록 연구자가 단계별 개선을 수행한다는 의미입니다. DE는 개선하려는 효소의 유전자를 클로닝하는 것부터 시작됩니다.

분리된 유전자의 다양성은 시험관내 돌연변이를 통해 강화되었습니다. 그런 다음, 이들 돌연변이 균주의 DNA를 클로닝하고 공통 수용체에 발현시킨다. 발현된 생성물의 효소 활성을 분석하여 최상의 돌연변이 균주 클론을 선택한다. 그 유전자는 다음 스크리닝 라운드의 새로운 출발점이 됩니다. 이 방법을 사용하려면 DNA 샤플링과 고처리량 스크리닝 기술이라는 두 가지 중요한 지원 기술을 숙달해야 합니다.

2.4 파지 디스플레이

이 기술은 원래 다른 분자에 단단히 결합할 수 있는 단백질의 일부 ​​구조적 도메인을 식별하고 분리하는 데 사용되었습니다. 그러나 이러한 핵심 기술은 최근 더욱 설계 및 개발되어 개선하고자 하는 효소가 이론적으로는 동정 및 분리의 표적으로 작용할 수 있게 되었습니다. 가장 간단한 형태의 파지 디스플레이는 표적 DNA(돌연변이 및 스크리닝의 표적이 되어야 함)의 작은 조각을 그것이 코딩하는 단백질 도메인이 파지 입자의 표면에 나타날 수 있는 위치의 파지 게놈에 삽입하는 것을 포함합니다. 표적 유전자의 돌연변이로 인해 다양한 도메인이 표면에 표시됩니다. 다양한 도메인 중 하나가 고정된 기질에 충분히 강력하게 결합하면 해당 도메인을 암호화하는 입자가 이 고정상에 달라붙어 결합되지 않은 도메인과 분리됩니다. 결합된 파지는 고정된 기질로부터 용출되어 수집되고 증식됩니다. 이 과정을 반복하면 좋은 품질의 효소를 얻을 확률이 높아집니다.

3 두 가지 사례

다음은 본 연구실의 연구 작업을 바탕으로 한 두 가지 사례입니다. 하나는 L-아스파라기나제 효소이고, 다른 하나는 아미노산 L-아스파라긴산입니다. 이 두 가지 예는 생명공학의 제3의 물결에 대한 우리의 논의에서 어느 정도 대표적인 예입니다.

3.1 L-아스파라기나아제

L-아스파라기나아제는 1차 선택 항백혈병 치료제로 오래전부터 대장균 발효법으로 생산되어 왔지만 그 생산과 적용은 적어도 두 가지 문제. 한 가지 문제는 세포가 효소를 형성하는 능력이 낮다는 것입니다. 또 다른 문제는 효소가 체내에서 반감기가 짧다는 것입니다. 이 두 가지 문제가 존재하면서 의약품 생산 비용이 지나치게 높아져 환자의 부담이 가중됐다.

저희 연구실은 유전공학 기술의 도움으로 효소 합성 능력을 향상시켰습니다. 먼저, 효소를 코딩하는 유전자를 대장균에서 얻어 체외에서 재조합한 후 대장균으로 형질전환시킨 것입니다. 이는 상류 조절 요소가 강화되어 효소 합성 능력이 40배 이상 증가한다는 것입니다.

짧은 반감기와 열악한 안정성 문제를 해결하기 위한 우리 연구실의 전략은 바로 융합체를 준비하는 것입니다! L-아스파라기나제-항체의 단백질. 먼저, 파지 항체 라이브러리로부터 L-아스파라기나제(ASNase)의 보호 항체 scFv46을 스크리닝한 후 융합 단백질인 scFv-ASNase 및 ASNase-scFv를 구축하였다. 안정성 테스트 결과, 이들 두 융합 단백질은 천연 ASNase보다 프로테아제 분해에 대한 저항성이 더 크고, 천연 ASNase의 시험관 내 반감기가 각각 2시간에서 9시간 및 6시간으로 증가하는 것으로 나타났습니다. 또한, 두 융합 단백질은 저항성을 나타냅니다. 고온 및 낮은 pH 조건에 대한 내성이 뛰어납니다. 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 통해 ASNase-scFv와 scFv-ASNase 융합 단백질의 3차원 구조를 예측하고 보고된 천연 ASNase의 3차원 구조와 비교했습니다. 구조 분석과 위의 실험 결과를 종합하면, scFv의 보호 메커니즘은 scFv의 입체 장애 효과(예: 프로테아제 작용 부위 차단)와 효소 분자의 정전기 전위 표면 변화가 결합된 결과인 것으로 제안됩니다. .

완전한 게놈 서열 정보를 활용해 L-아스파라기나제의 안정성을 더욱 향상시키려는 새로운 시도. 최근 몇 년 동안 중국과학원 과학자 팀의 끊임없는 노력을 통해 그들은 극호열성 미생물의 전체 2,689,443bp 게놈에 대한 서열 분석 연구를 완료했습니다.

L-아스파라기나제의 안정성을 더욱 향상시키고 생체 내에서 약물의 반감기를 연장시키기 위해 우리는 L-아스파라기나제의 생체 내 반감기를 연장시키기 위해 극호열성 미생물로부터 보다 안정적인 효소를 찾으려는 새로운 노력을 기울였습니다. 완전한 게놈 서열 정보의 도움.

이 실험실에서는 E를 측정했습니다. 대장균 L - 아스파라기나제의 아미노산 서열 및 이를 코딩하는 유전자의 뉴클레오티드 서열. 위에서 언급한 극호열성 미생물의 전체 게놈 서열 데이터베이스에서 대장균에 대해 검색합니다. coli L - 아스파라기나제의 구조적 유사체로 No. 967번 유전자가 코딩하는 단백질 중에서 L-아스파라기나제와 1차 구조가 매우 유사한 단백질이 발견됐다. 그중 35%(115/323)의 아미노산이 정확히 동일하고, 또 다른 52%(171/323)의 아미노산이 유사합니다. 따라서 이 극도의 호열성 미생물에는 E.와 관련된 종이 있을 가능성이 있다고 믿을 만한 이유가 있습니다. 대장균 L - 아스파라기나제와 유사한 기능을 가진 단백질. 그리고 이 유전자가 극도의 호열성 미생물에서 나온 것이라는 점을 고려하면 이 단백질도 더 나은 열 안정성을 가질 것으로 예상됩니다. 물론, 모든 결론은 유전자의 클로닝, 발현, 제품 분리 및 기능 분석 결과를 통해 최종 확인 또는 해명을 거쳐야 합니다.

3.2 L-아스파라긴산

일반적인 생산 방법은 L-아스파라아제가 풍부한 미생물 세포를 사용하고 고정화 후 기질을 반응시키는 것입니다. . 이 연구소는 또한 몇 가지 초기 작업을 수행하여 이를 생산 응용 분야에 적용했습니다. 2000년 베를린 생명공학 회의에서 일본 회사가 생산 공정 수준을 크게 향상시키기 위해 일련의 개선 조치를 취했다는 사실을 알게 되었습니다. 우선, 낮은 효소 합성 능력 문제를 해결하기 위해 유전 공학 기술을 사용하여 이온 교환 반응 열 특성을 갖는 물질을 사용하여 고정화 효소의 합성 능력을 50 배로 늘립니다. 반응기 설계 및 반응 온도 감소, 환경을 오염시키는 부산물 황산암모늄이 제거되고 재사용이 가능한 푸마르산암모늄으로 대체됨 폴리-L-아스파라제 제조. 이 개선된 새로운 공정은 진보적이고 효율적일 뿐만 아니라 친환경적이고 환경친화적입니다. 본 제품의 생산과정은 거의 완벽에 이르렀으며, 이는 21세기 전통산업의 변혁 방향을 대표합니다.

4 산업 구조

우리는 사회, 경제 발전에 직면한 몇 가지 주요 장애물을 산업 생명 공학으로 해결해야 하는 시대에 살고 있습니다. 일련의 첨단 기술 플랫폼은 생명공학의 제3의 물결이 우리에게 다가오고 있음을 보여줍니다. 우리는 이 세 번째 물결에서 중국과 세계의 산업 생명공학 구조가 엄청난 변화를 겪게 될 것이라고 믿습니다.

지난 세기 산업생명공학 산업 패턴은 일반적으로 항생제, 비타민, 아미노산, 유기산(아세트산, 젖산, 구연산, 이타콘산, 사과산, 글루콘산 등), 효소 제제, 단량체 세포 단백질, 용매(아세톤, 부탄올), 에탄올, 핵산, 뉴클레오티드 등 전통산업의 종합적인 기술변혁: 고수율, 고품질, 효율적, 자원절약형, 친환경 산업으로의 전환과 바이오소재산업, 바이오에너지산업, 바이오화학산업, 환경산업 등 수많은 신산업이 탄생할 것입니다. 생명공학 산업 등