一引言
合成生物学是21世纪初刚刚兴起的一门交叉学科，其工程化的理念，标准化的生物工具和大胆新颖的设计思路，一经兴起便引起了世界范围的广泛关注，其发展受到多个国家政府和研究团体的高度重视。2009年，由中国科学院300多位专家经过一年多研究发布的《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究系列报告指出：“合成生物学是可能出现革命性突破的4个基本科学问题之一”。由此可见，合成生物学的必将会在不久的未来给国民经济带来巨大推动。高等学校的教育必须引领科学的发展，因此作为相关专业的大学生必须要掌握一些基本的合成生物学知识，为此写了本文。鉴于知识水平有限，本文只对蛋白质分子的设计、合成与组装问题进行简单叙述。
二正文
蛋白质分子的设计、合成与组装
“合成生物学的实质在于利用、改造、乃至重新制造生物元件，并通过组装、构建成新的生物系统。由于“生物元件（如蛋白质）”异常多样化和微细的特征，直接通过理性的“元件设计→制造→系统组装”的类似于机械、电子系统的研发、生产方式在绝大多数情况下是不可能的。蛋白质发挥功能的分子机制是特异相互作用、构象变化及特异相互作用与构象变化的耦联。不同蛋白质有不同的特异相互作用、构象变化及特异相互作用与构象变化的耦联，是通过数百万、千万、乃至亿年的漫长生物进化形成的。通过“加速的人工进化”是改造和重新制造蛋白质元件的合理途径。我们构建了基于大肠杆菌和人细胞的单细胞定量快速蛋白质分子进化技术平台。该大肠杆菌人工进化技术可用于生成抗人细胞表面原位特异抗原的抗体；而人细胞人工进化技术具有如下特征：
（1）被筛选的目的蛋白质基因可发生随机突变形成基因库；
（2）用人细胞合成的人蛋白质具有优良的折叠和适当的翻译后修饰； （3）基于单细胞的功能分选，是目前已知的最快的功能筛选策略。”
上述文献发表于2009年，对蛋白质的人工合成持保守态度，而提出了蛋白质分子人工进化的理论，但随着近几年科学技术的发展，蛋白质的人工合成逐渐成为可能，以下将讲述蛋白质分子设计合成与组装的相关信息。
1研究目标
除了基于DNA分子的基因尺度组装外，开发蛋白质尺度的合成与组装技术也是合成生物学发展的关键。开发对产物合成过程中关键酶蛋白的优化设计、表达与组装技术。开发对重要的生物翻译后调控过程的关键蛋白的重设计和组装技术。发展蛋白质家族分子进化的模块组装技术，以酶家族进化为主体的突变库构建与定向进化新技术，以及蛋白质突变库高通量的筛选技术。 2研究内容
1蛋白质分子重新设计的理论依据或模拟分析
2产物合成途径中的关键酶蛋白的重新设计与组装
3翻译后调控蛋白、信号转导蛋白及膜蛋白的重新设计与组装 4发展蛋白质分子进化的模块组装及突变库的高通量筛选技术 3技术路线
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1蛋白质分子重新设计与模拟分析。对目标蛋白引入突变位点可能引起的功能改变进行数学模型分析。开发出通用性的、或针对某一类蛋白的合适软件，方便研究者进行蛋白质设计与改造。
2产物合成途径中的关键酶蛋白的重新设计与组装。选取某些重要的感兴趣反应酶，主要通过引入易错PCR和高通量筛选来进行目标蛋白的获取。也可采用多位点重组的随机进化方法进行高效率的位点突变。
3重要的翻译后调控蛋白及膜蛋白的重新设计与组装。
4发展蛋白质家族分子进化的模块组装技术，以及毛细管、细胞分选系统等蛋白质突变库高通量筛选技术。发展基于蛋白质结构与动力学的计算机模拟和分子设计。 4阶段性目标 5年计划：
1.实现若干重要产品的合成途径中的关键酶的重新设计与组装。 2 建立初步的计算机辅助蛋白质设计软件与支持平台 10年计划：
1完善蛋白质分子重新设计与模拟分析工具，建立用户方便使用的页面。 2 初步建立蛋白质分子重新设计与模拟分析的技术理论，开发通用性的或针对某一类蛋白的设计软件。 20年计划：
1建立基于蛋白的重要辅助型调控元件与模块构建技术。重要的翻译后调控蛋白及膜蛋白的重新设计与组装。
2发展蛋白质家族分子进化的模块组装技术，以及蛋白质突变库高通量筛选技术。发展基于蛋白质结构与动力学的计算机模拟和分子设计。
以下是关于蛋白质分子设计的一些基本问题 蛋白质分子设计
基于天然蛋白质结构的分子设计
蛋白质设计原理
蛋白质设计中结构与功能关系的研究 天然蛋白质剪接
全新蛋白质设计
蛋白质的从头设计
蛋白质设计的目的
为蛋白质工程提供指导性信息 探索蛋白质的折叠机理
蛋白质设计存在问题
设计的蛋白质与天然蛋白质相比缺乏结构的独特性极明显的功能优越性
设计的蛋白质有正确的形貌、显著的二级结构及合理的热力学稳定性，但三级结构的确定性较差
蛋白质的分子设计可分为两个层次
在已知立体结构基础上所进行的直接将立体结构信息与蛋白质的功能相关联的高层次的设计工作
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在未知立体结构的情形下借助于一级结构的序列信息及生物化学性质所进行的分子设计工作
按照改造部位的多寡分为三类：
第一类为“小改”，可通过定位突变或化学修饰来实现；
第二类为“中改”，对来源于不同蛋白的结构域进行拼接组装； 第三类为“大改”，即完全从头设计全新的蛋白质（de novo design）
蛋白质分子设计程序
蛋白质分子设计程序：各种蛋白质结构预测和分子设计程序 按照蛋白质分子设计的层次分为:
序列分析、二级结构预测、同源蛋白质结构预测、蛋白质突变体结构预测、蛋白质的性能预测和蛋白质分子设计六个部分
蛋白质分子设计流程图
蛋白质设计原理
①内核假设。所谓内核是指蛋白质在进化中保守的内部区域。在大多数情况，内核由氢键连接的二级结构单元组成
②所有蛋白质内部都是密堆积(很少有空穴大到可以结合一个水分子或惰性气体)，并且没有重叠。
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③所有内部的氢键都是最大满足的(主链及侧链)
④ 疏水及亲水基团需要合理地分布在溶剂可及表面及不可及表面
⑤ 在金属蛋白中，配位残基的替换要满足金属配位几何，符合正确的键长、键角及整体的几何
⑥ 对于金属蛋白，大部分配基含有多于一个与金属作用或形成氢键的基团。其余形成围绕金属中心的氢键网络，这涉及与蛋白质主链、侧链或水分子的相互作用 ⑦ 最优的氨基酸侧链几何排列
⑧ 结构及功能的专一性。形成独特的结构，独特的分子间相互作用是生物相互作用及反应的标志
蛋白质分子设计的程序
1 收集相关蛋白质的结构信息
一级结构、立体结构、功能结构域、同源蛋白等数据 2 建立所研究蛋白质的结构模型
PDB、X射线晶体学、NMR、结构预测 3 结构模型的生物信息分析
三维结构、功能区、二硫键等
4选择设计目标找出重要位点和区域——同家族蛋白序列对比 既尽可能满足设计要求又能维持原结构 目标：残基不多（60-80）、结构简单、对称性强 5序列设计
氨基酸——二级结构
序列最简化法 模板组装合成法 6 预测结构
基本思想：信息论和概率统计规律 基本原则：能量最低 7 获得新蛋白质 多肽化学合成 基因工程
8 新蛋白的检验
是否存在蛋白质的多聚体状态 二级结构与预期是否吻合 是否具有三级结构 9 完成新蛋白的设计
全新蛋白质设计
特征：全新蛋白质设计是另一类蛋白质工程，合成具有特异结构与功能的新蛋白质。根据所希望的结构及功能设计蛋白质或多肽的氨基酸序列
全新蛋白质设计方法
蛋白质设计是一个理论与实验之间的循环。 PDA（protein design automation)
设计——合成——检测——再设计
这个循环已经在蛋白质的合理设计中得到了许多重要进展
选择某种主链骨架作为目标结构，随后固定骨架，寻找能够折叠成这种结构的氨基酸组合
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设计考虑因素包括：
二元模式、转子库、死端排除法
能量表达、能量优化、侧链构象的离散化、残基分类(内核、表面、边界)、功能位点设计、专一性、稳定性及序列空间的稳健性预测等方面内容 蛋白质的全新设计 蛋白质结构的从头设计 蛋白质功能的从头设计
取得的进展：血红素结合蛋白、氧化还原活性蛋白质、DNA结合蛋白、基于蛋白质的高分子材料
以上仅仅是关于蛋白质的人工合成一些最基本的论述，由于蛋白质数量的庞大和立体结构的复杂性，蛋白质的合成仍面临诸多难题，需要不断的发现更多的技术方法去解决完善，合成生物学标准化的生物工具和大胆新颖的设计思路必将为蛋白质的人工合成带来极大便利。
蛋白质是基因表达的产物，生物体复杂而又庞大的基因组产生了难以计数的具有不同结构功能的蛋白质。人类现在所认知的不过是冰山一角，还有更多的任务留给世人来做。而蛋白质的合成也仅仅是合成生物学的一小部分，人类在认识自身的道路上还有很漫长的道路要走。
附录：参考文献
《合成生物学的路线图完稿》（天津大学系统生物工程教育部重点实验室） 《合成生物学导论》（宋凯 黄熙泰 科学出版社）
《植物基因组学与蛋白质组学》（【英】C.A.卡利斯 冯晓燕等译 化学工业出版社） 《蛋白质分子人工进化在合成生物学中的作用》（生物物理学报2009.25<增刊>） 《蛋白质工程》（汪世华 科学出版社）第三章PPT
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