基于理性设计的功能性蛋白结构研究进展及其在食品科学中的应用
导 读
2022年3月30日，西南大学张宇昊教授、陈海副教授在ACS旗下的农林科学领域国际顶级期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry（Q1，IF：5.279）（点击查询食品SCI即时IF）发表题为“Advances in Rational Protein Engineering toward Functional Architectures and Their Applications in Food Science”的综述论文（Front Cover文章）。张宇昊教授为本文通讯作者，陈海副教授为第一作者及共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划（2021YFD2100105），中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWU120055，XDJK2019B028，XDJK2020B044)，国家自然科学基金项目(31972102，32072137，31901683，32001810)的资助。
随着结构生物学、计算生物学以及人工智能计算的飞速发展，基于理性的蛋白质结构设计为食品蛋白质结构及功能改造提供了高效的途径。蛋白质生物分子在催化、营养递送和食品保藏等领域能够发挥重要的作用，通过蛋白质理性设计可以有效地改变蛋白质分子的理化性质和功能，并极大地促进功能性蛋白质分子在食品科学领域的应用。本文介绍了蛋白质折叠和组装的基本原理以及蛋白质理性设计的原则和策略，同时重点讨论了蛋白质理性设计在食品科学领域中的最新研究进展，从酶的改造、笼状蛋白质制备和抗菌肽的优化等方面进行了综述，并提出了基于蛋白质理性设计策略制备性能优良的蛋白质生物分子所面临的挑战以及未来的发展趋势。
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综述亮点
基于蛋白质理性设计策略可以获得具有特殊功能和性质的蛋白质分子。
通过理性设计获得的蛋白质分子可以克服天然状态的蛋白质固有理化性质的限制。
通过计算机辅助设计可以有效地减少蛋白质改造的工作量，提高成功率。
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综述结论
虽然蛋白质理性设计为食品功能蛋白质的制备提供了可能，但仍然存在一些需要解决的问题。首先，成本管理对食品生产尤为重要，因为大多数设计的蛋白质从工程菌株中获得，其产量受到序列突变的高度影响，因此，提高产量、降低成本是解决目标蛋白实际应用的基础，也是蛋白质设计中应考虑的重要因素。其次，由于蛋白质设计伴随着对蛋白质序列的修饰和改变，不可避免的会产生对人体可能有害的蛋白片段，因此，应该重视全面系统的安全评价，尤其是对人们直接食用的食品蛋白质。最后，在多组分复杂的食品体系中添加改造后的蛋白质时，其稳定性、活性或功能可能会受到食品复杂基质的干扰，进一步的探究也是必要的。
蛋白质所具有的功能很大程度上取决于其内部空间结构，通过理性的结构设计和改造可以赋予蛋白质特殊的功能特性。目前，蛋白质的结构设计方法主要包括经验性结构设计、结构预测、计算机辅助蛋白重设计以及从头设计。其中，与经验性的蛋白结构设计相比，计算辅助设计的方法可以极大地减少实验工作量，增加成功的机会。另外，由于蛋白质折叠机制以及结构功能之间的关系十分复杂，从头设计蛋白质仍然面临巨大挑战。
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图文赏析
图1 基于理性设计的功能性蛋白结构研究进展及其在食品科学中的应用。
图2 蛋白质结构设计及改造的策略
作者简介
张宇昊
教 授
张宇昊，男，博士，副教授，西南大学食品科学学院院院长，博士生导师，丹麦哥本哈根大学访问学者，重庆市高等学校优秀人才计划入选者，重庆市科学技术带头人（后备人选），重庆市生态渔产业体系岗位科学家，中国食品科学技术学会青年工作委员会委员，中国畜产品加工研究会理事，重庆市食品工业协会副理事长，重庆市水产学会常务理事，川渝共建特色食品重庆市重点实验室主任，《食品工业科技》、《食品研究与开发》等期刊编委，《食品科学》期刊青年编委，《Food Hydrocolloids》，《Food Chemistry》等国际期刊审稿人。主要从事动物性蛋白质功能及其构效、动物性食品加工副产物利用、乳液与水凝胶、水产品加工方面的研究。第一或通讯作者发表相关学术论文100余篇，其中SCI收录40余篇。获得国家发明专利9项，国家实用新型专利2项，中华农业科技奖科学研究成果一等奖1项，中国粮油学会科学技术一等奖1项，中国食品产学研创新发展高峰论坛优秀科研成果奖2项，中国农业科学院科技成果二等奖1项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，国家重点研发计划子课题，重庆市新冠肺炎疫情应急科技攻关专项，重庆市基础科学与前沿技术研究重点项目，川渝联合实施重点研发项目，中国博士后基金特别资助项目等项目20余项。
陈 海
副教授
陈 海，博士，副教授，重庆市科技特派员，担任Foods期刊客座编辑，Critical Reviews in Food Science and Nutrition，Journal of Agricultural and Food Chemistry, Journal of Industrial and Engineering Chemistry等期刊审稿人。主要研究方向为食品蛋白质资源综合利用、蛋白质化学与营养、食源蛋白质自组装及其机制探究；在Food Chemistry、Food Hydrocolloids、Journal of Colloid and Interface Science、Chemical Communications、Nature Communications等期刊上发表论文30余篇。由国家知识产权局授权发明专利一项；参与编写英文专著《Mineral Containing Proteins: Roles in Nutrition》。近年来主持或参与国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项、川渝联合实施重点研发、中央高校基本业务费项目等项目。
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