木聚糖酶可以将木聚糖降解成低聚糖和木糖,是木聚糖降解过程中一种关键的酶。在造纸、饲料、食品和生物能源等工业生产过程中,木聚糖酶有广泛应用。不同的工业生产过程需要不同性质的木聚糖酶,如饲料行业需要耐酸、耐热的木聚糖酶,而造纸行业则需要耐碱、耐高温的木聚糖酶。自然界中的木聚糖酶大多数为中温酶,11家族木聚糖酶是其中活性很高的一种,但其最适温度为55℃,最适pH为5.0,难以满足工业生产条件的要求。运用蛋白质工程技术手段对蛋白质进行分子改造,从而提高其热稳定性,使其应用于不同的工业生产条件,是酶工程领域的研究热点。蛋白质结构与功能息息相关。影响蛋白质热稳定性的因素有很多,包括氢键、盐桥、二硫键、疏水相互作用等。近年来,大量的蛋白结构和其实验数据库的建立,使得生物信息学研究蛋白质热稳定性的方法越来越可靠,大量的改造方法和计算软件被开发出来,为蛋白质的改造带来了指导和方便。本文以11家族木聚糖酶为研究对象,通过基于结构的半理性设计和计算机辅助筛选两种策略对其进行分子改造,来提高其热稳定性。在基于结构的半理性设计来提高木聚糖酶热稳定性一章中,利用分子动力学模拟,通过对蛋白质高温下模拟寻找到其不稳定区段,在N端根据已报道同源木聚糖酶相似位置引入一个二硫键构建了一个突变体T2CT28C,在152位置根据疏水性和空间结构特征设计了一个单突变T152F,通过分子动力学模拟证明其热稳定性提高,最后进行实验验证。结果表明,T2CT28C突变最适温度提高15℃,最适条件下酶活性提高50%,单突变T512F在70℃下活性比野生型高27%。在计算机辅助筛选热稳定性提高的木聚糖酶一章中,通过Model ler同源建模来构建木聚糖酶的全序列饱和突变体库,并使用FoldX计算其解折叠自由能ΔG,然后使用HotSpot Wizard进行多序列对比,最终获得28个突变体。经分子动力学模拟验证和酶活实验验证,28个突变体中有5个突变体在70℃下活性比野生型高;其中分子动力学模拟的前十名中有4个突变体在70℃下活性比野生型高。结果证明利用这两种策略在对11家族木聚糖酶进行热稳定性改造是有效的。这两种策略大大减少了实验筛选工作量,快速获得了热稳定性提高的二硫键突变体和许多单突变,为以后木聚糖酶的多点突变积累了经验,为其他类似蛋白质的热稳定性改造提供了思路。