工业蛋白质理性设计与应用

作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术,蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战,创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, TIB)创立10周年之际,文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论,并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁,促进新技术、新策略的开发应用,加速融合人工酶的基础研究与产业应用,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

定向进化技术的最新进展

筛选是制约酶定向进化改造的瓶颈。为解决这一难题,近年来一系列基于组合活性中心饱和突变(Combinatorial active-site saturation test,CAST)及迭代饱和突变(Iterative saturation mutagenesis,ISM)的半理性设计新方法被开发出来,包括单密码子饱和突变(Single code saturation mutagenesis,SCSM)、双密码子饱和突变(Double code saturation mutagenesis,DCSM)和三密码子饱和突变(Triple code saturation mutagenesis,TCSM)。通过构建"小而精"的高质量突变体文库,对特定靶点进行组合突变,并成功应用于多种生物催化剂的立体/区域选择性及催化活力等多参数的改造。文中综述了近年来定向进化技术的最新进展及其在生物催化剂定向改造中的应用。     

蛋白质工程：从定向进化到计算设计

定向进化通过建立突变体文库与高通量筛选方法,快速提升蛋白的特定性质,是目前蛋白质工程最为常用的蛋白质设计改造策略。近十年随着计算机运算能力大幅提升以及先进算法不断涌现,计算机辅助蛋白质设计改造得到了极大的重视和发展,成为蛋白质工程新开辟的重要方向。以结构模拟与能量计算为基础的蛋白质计算设计不但能改造酶的底物特异性与热稳定性,还可从头设计具有特定功能的人工酶。近年来机器学习等人工智能技术也被应用于计算机辅助蛋白质设计改造,并取得瞩目的成绩。文中介绍了蛋白质工程的发展历程,重点评述当前计算机辅助蛋白质设计改造方面的进展与应用,并展望其未来发展方向。     

工业酶结构与功能的构效关系

工业酶是绿色生物制造的"芯片",支撑着下游数十倍甚至百倍的产业。解析工业酶结构与功能关系是对其设计改造并应用于工业生产的基础。近年来随着蛋白结构解析技术和计算模拟技术的发展,酶结构与功能的构效关系得到更加深刻的认识,使得酶理性设计,甚至是从头设计成为可能。文中围绕酶结构的可塑性及其催化功能的多样性,综述工业酶结构与功能构效关系的研究进展及应用,并展望该领域的未来发展前景。     

醇脱氢酶金属离子绑定位点的可替换性

金属酶通过其极性氨基酸残基侧链所形成的共价键去锚定金属离子,目前鲜有报道替换金属绑定位点本身是否影响原有酶催化性能.以来源于Thermoanaerobacter brockii的锌离子依赖型醇脱氢酶TbSADH为研究对象,对其绑定锌离子的3个氨基酸残基位点Cys37、His59及Asp150进行序列保守性分析并构建突变...     

催化混杂性驱动的酶功能重塑

作为生物催化剂,酶蛋白介导的生化反应具有条件温和、绿色环保等优点。然而相比化学催化剂,天然酶功能的局限性制约了它在生物制造领域的广泛应用。前期研究表明,酶蛋白除了催化专一性外,同时还展现出混杂性的一面,可在特定条件下催化非天然模式反应。这一特性为酶分子功能重塑提供了新思路,可用来指导人工酶设计,拓展天然酶的催化边界,实现新颖酶促反应类型,以扩大酶催化应用场景。本文从酶催化功能混杂性背后可能的进化机制入手,综述了当前诱导酶催化功能混杂性的常用策略,如定向进化、构象动力学、反应条件诱导及祖先酶重构等技术,并从催化机制、构效关系及适应性进化等多个角度,结合近年来相关研究实例,探讨了催化功能混杂性背后的分子机制,为突破天然酶促反应局限性、创制催化非天然反应的高效人工酶元件提供参考。