隨著結(jié)構(gòu)生物學、計算生物學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，并極大地促進功能性蛋白質(zhì)分子在食品科學領(lǐng)域的應用。

 

　　近日，西南大學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計的功能性蛋白結(jié)構(gòu)研究進展及其在食品科學中的應用。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)理性設計的原則和策略，同時重點討論了蛋白質(zhì)理性設計在食品科學領(lǐng)域中的最新研究進展，從酶的改造、籠狀蛋白質(zhì)制備和抗菌肽的優(yōu)化等方面進行了綜述，并提出了基于蛋白質(zhì)理性設計策略制備性能優(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)設計方法主要包括經(jīng)驗性結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)預測、計算機輔助蛋白重設計以及從頭設計。其中，與經(jīng)驗性的蛋白結(jié)構(gòu)設計相比，計算輔助設計的方法可以極大地減少實驗工作量，增加成功的機會。另外，由于蛋白質(zhì)折疊機制以及結(jié)構(gòu)功能之間的關(guān)系十分復雜，從頭設計蛋白質(zhì)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

　　雖然蛋白質(zhì)理性設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蛋白實際應用的基礎，也是蛋白質(zhì)設計中應考慮的重要因素。其次，由于蛋白質(zhì)設計伴隨著對蛋白質(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雜基質(zhì)的干擾，進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)林科學領(lǐng)域國際頂級期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry（Q1，IF：5.279）上。西南大學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），中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目（SWU120055，XDJK2019B028，XDJK2020B044），國家自然科學基金項目（31972102，32072137，31901683，32001810）的資助。