1983年，美国分子生物学家K.M.厄尔默^[注]第一次提出“蛋白质工程”的概念。1984年，美国旧金山基因泰克（Genetech）公司的L.J.佩里^[注]等人改变了T4溶菌酶的热稳定性；1984年，S.罗森堡^[注]等人改造了α-抗胰蛋白酶；1985年，英国医学研究协会剑桥分子生物学研究所的G.温特^[注]成功改变了嗜热脂肪芽孢杆菌氨酰转移RNA（tRNA）合成酶的活性，这些成果标志着蛋白质工程的正式诞生。

蛋白质是生命活动的物质基础，也是疾病诊断、治疗的重要靶标和药物。生命体内的天然蛋白质往往不能满足人们生产和生活的要求，需要进行改造。蛋白质是由多种氨基酸按照一定顺序连接而成的，在空间上形成独特的结构，行使其生物功能，因此，改变其中关键的氨基酸能改变蛋白质的性质。蛋白质工程就是基于对蛋白质已有的结构和功能的知识的了解，借助计算机分析、设计和计算，利用基因突变等技术改造基因，改变或设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构，达到改进蛋白质某些性质的目的。

按人们意志改变蛋白质的结构和功能或创造新的蛋白质的过程包括：在体外改造已有的蛋白质，化学合成新的蛋白质，通过基因工程手段改造已有的或创建新的编码蛋白质的基因去合成蛋白质等。为获得的新蛋白质具备有意义的新性质或新功能，常对已知的其他蛋白质进行模式分析或采取分子进化等手段。

蛋白质工程是在基因工程、生物化学、分子生物学等学科的基础上，结合蛋白质结构晶体学、蛋白质动力学和计算机辅助设计等学科而发展的研究领域。

广义的蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化技术，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其他手段改造、修饰或创造蛋白质。狭义的蛋白质工程指利用DNA突变技术改造蛋白质。

用生物工程下游技术从混合物中分离纯化出所需要的目的蛋白质的方法。当代生物产业当中的核心技术，技术要求与成本都较高，例如一个生物药品成本的75%～90%都用于下游的蛋白质分离纯化当中。因此，蛋白质的分离纯化技术依然需要改进与发展。常用技术有：各类沉淀、吸附、透析、超滤、电泳、层析等技术。

蛋白质的结构与功能之间的关系是蛋白质工程的原理基础。首先要测定蛋白质的一级结构，其次进行结构的物理测定。物理测定主要有：X射线晶体衍射、核磁共振、冷冻电子显微技术及激光拉曼光谱等。除了核磁共振以外，还有一些生物化学技术被用于测定二级结构，例如圆二层析。冷冻电子显微技术是获得低分辨率蛋白质结构的方法。

蛋白质分子的合理设计需要建立在对蛋白质本身性质的了解上。预测蛋白质分子的性质首先需要预测其基本理化性质，包括等电点、相对分子量、疏水性等；对局部结构的预测包括：跨膜螺旋结构预测、信号肽预测和卷曲螺旋预测等；对蛋白质高级结构的预测主要包括：二级结构预测法、同源建模法、折叠识别法和从头预测法，前三项是基于已有知识，后一项是从头预测。按照对模板的依赖与否主要分为模板依赖模型和从头预测方法。模板依赖模型又可以分为两种模型：同源模型和折叠识别模型。当目标序列没有同源结构时，进行蛋白质三维结构预测就必须使用从头预测方法。分子对接、分子动力学和分子热力学等大分子模拟技术在蛋白质结构预测、蛋白质折叠机理、蛋白质与配体的相互作用与识别、药物设计与筛选等方面的研究中发挥着越来越重要的作用。大量的蛋白质与核酸数据库的信息及丰富的生物信息学软件是上述研究开展的重要助力。

由于蛋白质结构的复杂性，结构生物信息的匮乏以及技术上的局限性，因此，蛋白质的合理设计并非轻而易举。生物学的发展使人们认识到蛋白质进化大多是由于某些点突变或修饰的积累，而在自然条件下生物自发突变频率较低，蛋白质性质或功能的改变是非常漫长的过程。早期人们采取了各种诱变手段以期能够对蛋白质的性能进行改造，然而化学和物理的诱变是全局性的，诱变筛选的效率很低。蛋白质定向进化利用生物技术并结合计算机技术，构建包含众多突变体的分子多样性文库，并根据所需条件逐步筛选性状有改进的突变体，用极短的时间在体外及体内模拟自然界中需要成千上万年的进化过程，从而获得具有改进功能或全新功能的蛋白质。其发展拓宽了蛋白质工程的设计范围，可在未知目标蛋白质结构信息和作用机制的情况下对蛋白质进行改造。

已被广泛运用于各相关领域，包括医药、材料、食品、工业和环境等领域。蛋白质工程技术的应用可以：①提高重组蛋白质的活性，抗氧化能力及稳定性等，延长体内半衰期，降低免疫原性。②提高酶的热稳定性，优化催化效率，提高对底物的亲和力以增强酶的专一性。③改变酶的别构调节部位，以减少反馈抑制，提高产物的产率。④增强蛋白质对胞内蛋白酶的抗性，简化纯化过程，提高产率等。

蛋白质药物与以往的小分子药物相比，通常具有高活性、特异性强、低毒性、生物功能明确、有利于临床应用的特点。蛋白质工程技术好可以提供更多的设计方案来改造以及合成生物药物，改善重组蛋白质药物的免疫原性、半衰期、生物利用度、稳定性、活性等。基因工程技术诞生后首先应用于人胰岛素及人生长激素释放抑制因子等医用蛋白质的开发，大大降低了治疗的成本。蛋白质工程的目标包括设法提高蛋白质的稳定性，治疗用蛋白质很多都被进行了改造以延长贮存寿命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。通过蛋白质工程改造天然蛋白质以制造特效抗癌药物，如人的β-干扰素和白介素-2结构原本不稳定，蛋白质易失活，在修饰后稳定性得到提高，抗癌作用在临床试验中取得良好效果。人胰岛素改造后的突变体降低了胰岛素的聚合作用，能够使胰岛素快速起作用等。此外，尿激酶、干扰素等的生产也通过蛋白质工程得到了长效、稳定、作用更广泛的产品。多数单克隆抗体药物是鼠源，临床重复给药时人体会产生鼠源抗体，减弱治疗效果增加副作用，解决这一问题主要通过鼠源抗体人源化。基因工程抗体技术利用基因重组技术对编码抗体的基因按不同需求进行加工改造和重新装配，引入适当的受体细胞，由其表达生产出预期的抗体分子，这一技术大大促进了治疗性抗体药物的开发。随着技术发展，抗体人源化比例不断提高，嵌合抗体有60%～70%人源化，可变区人源化抗体为90%～95%，还有全人源化抗体。基因工程抗体在疾病的预防、诊断及治疗方面已获得广泛应用。

基于蛋白质工程原理与技术，构建具有可控结构与多重功能的融合蛋白，并用于制备具有特定生物学功能的仿生人工细胞外基质，为人们体外构建功能性组织或器官提供了新的发展机遇。

在生物材料表面结合功能肽段，可得到提高其生物学功能性的改性材料，如RGD序列由精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸组成，是细胞外基质中与细胞黏附相关的多种糖蛋白共同含有的高度保守序列，也是整合素受体可以识别的最小多肽序列。将RGD序列连接到生物材料表面，可促进细胞的黏附、迁移和生长。将钙黏素白细胞外域和IgG蛋白Fc结构域融合后的重组蛋白质涂膜于平板表面，可使细胞能够更好地黏附在平板上。研究人员将活性生长因子共价偶联到生物材料上，诱导需要生长因子进行较长时间传递的细胞反应。研究发现，固定在支架上的骨形态发生蛋白-2（BMP-2）在诱导骨髓基质细胞的成骨细胞分化上比在培养基中的游离BMP-2更有效。弹性蛋白主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸组成，极易形成反向平行的β-折叠片层结构，具有多样侧链化学修饰位点，良好的热稳定性和机械性能，在生物医学上常用作手术缝合线，人工皮肤及软骨修复材料。对于此类融合蛋白，只需通过调节氨基酸序列和分子链长度，便能够精确控制其对温度、pH值、离子强度的响应敏感性，从而实现可逆的溶解转变。蛋白质工程可为生物材料提供诸多独到优点，通过蛋白质对序列的设计可以满足生物材料应用所提出的多功能性。

纤维素是植物细胞壁的主要成分，广泛存在于地球中，每年植物光合作用可产生约5×109吨纤维素。另外，人类生产活动产生的废弃物也包含大量纤维素，例如稻草、玉米秸秆等。纤维素的酶法降解实现了对纤维素绿色环保的有效利用。采用蛋白质工程技术对纤维素酶进行分子改造，是解决天然纤维素酶催化活性不高、持续催化能力弱、热稳定性差、末端产物抑制等问题的一种有效方式，降低生产成本以真正在工业上获得实际应用。利用现代生物技术将纤维素材料转化为饲料、酒精等产品不仅可以作为新能源为人类造福，同时也可以缓解或解决农作物资源对环境污染的问题，因而具有重大的战略意义。

蛋白质工程正在成为改造农业，大幅度提高粮食产量的新途径。

虫害是造成农作物减产的重要因素之一，世界上每年因虫害而造成的农产品损失均在10%以上。传统的杀虫方法主要是喷施化学农药，不仅危害人类健康，而且造成环境污染。随着现代分子生物技术的发展，采用抗虫蛋白质工程培育抗虫品种以解决虫害将行之有效。已有数百个杀虫结晶蛋白被克隆，其中应用最广泛的是Bt蛋白。通过去除非活性区域减小蛋白质分子量，更换真核基因密码子等可提高Bt蛋白在植物中的表达量，提高杀虫效果。把几种不同的Bt蛋白活性区域融合在一起，可拓宽杀虫谱，降低害虫产生耐药性的可能。

对畜牧业开发、应用饲料用酶制剂有着重大意义：①可缓解饲料资源短缺、人畜争粮的局面，有利于保障粮食安全。②提供更为安全、优质的动物产品，有利于保障食品安全。③减轻环境污染，保障养殖业的可持续发展等。在饲料中大量应用添加酶制剂始于20世纪90年代，发展极为迅速，欧洲90%以上的饲料中添加了β-葡聚糖酶，此比例在世界范围内也极高。饲料用酶多为消化性的水解系列酶，目的是消除饲料中的抗营养因子，如植酸酶和半纤维素酶可降解饲料中的植酸、木聚糖和葡聚糖等；补充动物内源酶，如蛋白酶、脂肪酶等。以蛋白质工程应用于饲用植酸酶为例，改善了植酸酶的热稳定性、催化活性、最适pH值范围以适应饲料加工业和养殖业的要求，提高蛋白质表达率降低成本以适应大规模生产。

世界上生产用酶多达数百种，多数蛋白酶都具有通过蛋白质工程改造、优化的潜力。天然酶分子是自然进化的产物，适应于相应的生物体系，人类利用时与酶的自然生理环境相去甚远，导致酶的结构不稳定，功能不能完全发挥。天然酶的结构的优化，能大大提高酶的耐高温、抗氧化能力，提高酶的稳定性及pH值范围，从而获得更符合人们需要的酶以应用于食品、化工、洗涤等工业领域中。脂肪酶能催化酯的水解和合成，广泛用于洗涤剂的生产、油脂工业、有机合成、皮革及造纸工业。蛋白质工程已成功提高了脂肪酶的比活力、热稳定性和优化酶的最适温度等。蛋白酶在酶制剂市场中占的份额较大，主要用于洗涤剂、制革和纺织。对枯草芽孢杆菌蛋白酶的蛋白质工程研究较多，如将活性中心附近易氧化的氨基酸替换，可以增加酶的抗氧化性，使含枯草杆菌蛋白酶的洗涤剂可与漂白剂同时使用。

在其他领域也多有成功应用的案例。

20世纪90年代至21世纪初，美国科学家钱永健^[注]等通过改造荧光蛋白，提高了荧光强度和光稳定性，改变了发光颜色，创造出一系列不同颜色的荧光蛋白，得到广泛应用，并于2008年获诺贝尔化学奖。

荧光蛋白内部的刚性结构是由独特的化学环境造成的，这有利于中央的α螺旋中的3个氨基酸形成自催化的发色团。这种环境的改变会产生一些变体，这些变体在光谱特点、光稳定性及其他物理特性方面都有所改变。改造发色团残基及其邻近残基，产生了多种光谱变体，它们的发射谱改变了数十纳米。钱永健等以独特的方法通过基因工程改造荧光蛋白，包括采用从免疫系统借鉴来的技术迭代体细胞超突变来直接优化，产生发射波长在远红外区（>625纳米）的红色荧光蛋白变体。蛋白质工程以天然荧光蛋白为模版，不断设计新的变体，改变光谱特性，改进它们的折叠特性、亮度、齐聚效应及光稳定性，得到一系列自然界不存在的不同特性的荧光蛋白。

2013年后CRISPR/Cas9系统（规律性间隔短回文序列重复簇/规律性间隔短回文序列重复簇相关蛋白9系统）应用于基因组编辑，Cas9蛋白的结构被解析，并在诸多活性位点进行了突变。通过点突变使RuvC或HNH亚基失活，Cas9转变为DNA切口酶，只能使DNA单链断裂。如将两个亚基同时突变，则Cas9变为不能切割DNA的“失活”Cas9（“dead”Cas9），但仍保持被指导RNA（gRNA）招募到特定靶位点的能力，并与其他蛋白质融合，由此也产生一系列衍生应用。在大规模突变的基础上，对Cas9蛋白的1400余个氨基酸中的3个位点进行突变，得到了更高特异性的突变体。这是蛋白质工程的一个典型案例。

蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期，汇集了当代分子生物学等多学科的一些前沿领域的新成就。蛋白质工程通过把蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究，将蛋白质的研究推进到崭新的时代，为蛋白质在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。