设计改造羧酸还原酶合成医药中间体(S)-2-氨基丁醇

(S)-2-氨基丁醇同时具有羟基及氨基官能团,是多种重要药物分子的关键手性中间体,生物合成(S)-2-氨基丁醇尚缺少有效的酶元件。以塞格尼氏菌(Segniliparus rugosus)来源的羧酸还原酶SrCAR为研究对象,通过对实验室已有SrCAR突变文库进行筛选测试,结合活性位点共进化分析,同时利用组合活性中心饱和突变策略(Combinatorial active-site saturation test,CAST)构建新的突变体文库,经测试最终获得优势突变体XH7(G430V/E533F/A627N)。该突变体催化底物N-Boc-(S)-2-氨基丁酸到醛产物的活性(kcat/Km)较野生型SrCAR提高2.1倍,热熔值(Tm)提升2.3℃。进一步通过引入荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)来源的醇脱氢酶PfADH,可还原N-Boc-(S)-2-氨基丁醛到醇产物。XH7和PfADH的双酶共表达体系反应5 h即可将20 mmol/L底物实现几乎完全转化,转化率达到99%,并经脱Boc保护与分离纯化获得终产物(S)-2-氨基丁醇,得率为60%。通过分子动力学模拟解析最优突变体活性及热稳定性提高的分子机制,为SrCAR酶设计改造提供新的研究思路,拓展酶法合成(S)-2氨基丁醇的生物酶工具箱,可为类似高附加值医药中间体的生物合成提供理论和实践指导。

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。

高中语文阅读分层教学模式的构建与实践

给每个学生平等的教育机会．让每个学生成为学习的主体．将差异作为资源开发利用．创造多种学习机会与平等和谐环境．是新课程标准对教师提出的要求。使每个学生都获得成功的喜悦．是分层递进教学理念的出发点和归宿．也是新课标要求我们坚持的教学理念。

从化学合成到生物合成——天然产物全合成新趋势

结构复杂而多样的天然产物是药物发现和创制的重要宝库。为了克服有限的自然资源,来自学术界和工业界的科学家近两个世纪一直不断尝试人工合成天然产物。化学全合成已经取得了巨大成就,众多高度复杂的天然产物已经被有机化学家成功制备;但本领域仍存在诸多挑战性问题,例如化学反应中涉及昂贵的化学试剂、苛刻的反应条件、难控的立体选择性、冗长的合成路线以及较低的总收率等。随着合成生物学的发展,越来越多天然产物可通过生物细胞工厂实现人工制备,从而提供全新而互补的全合成策略。本文简要概括天然产物化学全合成,围绕几种药物活性天然产物的生物合成介绍其相关进展,以青霉素、红霉素、阿维菌素为例分析总结了天然产物同源途径的改造与优化;以维生素B12、莨菪烷碱为例概括评述了天然产物的异源表达与生物制造;并以人源胰岛素、青蒿素、沙弗拉霉素、嗜氮酮、卡英酸、鬼臼毒素为例重点介绍了生物与化学交叉融合策略在天然产物全合成中的应用。尽管在类天然产物新分子、立体复杂天然产物等的全合成中仍面临诸多挑战,但生物全合成对这些天然产物分子的构建将发挥越来越显著的作用;通过化学合成与生物合成优势互补,并借助当今蓬勃发展的人工智能技术,实现生物全合成的智能化、自动化、高效化将是本领域发展的新趋势。

2018诺贝尔化学奖:酶定向进化与噬菌体展示技术

2018年诺贝尔化学奖授予Frances H. Arnold、George P. Smith和Gregory P. Winter教授,分别表彰他们在酶的定向进化以及噬菌体展示技术方面取得的成就。这两项技术既有区别又有联系,其本质都是利用生物细胞在基因控制下合成蛋白质的生理过程并通过人工筛选来实现特定的应用目的,而噬菌体展示技术是定向进化筛选策略的拓展。两项技术融合了有机化学、分子生物学以及蛋白质科学等多个学科,被世界各国实验室广泛使用。以2018年诺贝尔化学奖为主题,综述了定向进化以及噬菌体展示技术的发展历程、关键时间节点及其在相应领域的重要应用。

机器学习助力酶定向进化

酶定向进化技术在生物催化、生物医药、生物技术等领域扮演重要角色。得益于计算速度的大幅提升以及海量数据集的出现,当前人工智能技术发展如火如荼。近年来机器学习等人工智能方法也被应用于蛋白质工程,在复杂酶结构预测、稳定性/选择性/可溶性、指导酶设计等问题中表现出独特的优势,为酶分子设计提供了新的可能。综述了当前机器学习算法及描述符助力酶设计改造方面的应用与进展。

光促酶催化反应设计及生物合成应用

光促酶催化是一门快速发展的多学科交叉技术,其结合了光催化与酶催化的优势,在生物合成领域中发挥重要的应用潜力。通过自然仿生设计,并综合官能团的形成及传递效率、原子经济性、环境因子等多维因素,光促酶催化可有效打破天然酶催化反应类型有限等局限,对建立高效低耗的绿色合成新途径具有重要意义。近年来,光促酶催化已成功应用于催化碳碳、碳氧、碳氮、碳卤成键等重要的生化反应,在催化活性、原子经济性、选择性、底物谱拓展等方面表现出独特的优势。重点介绍当前人工光促酶催化技术在生物合成方面的应用与进展,分析其应用潜力和有待解决的技术瓶颈,从而为进一步开发基于光促酶催化技术的绿色生物制造领域提供参考。

敞开思想的襟怀写作

在学生作文中,往往存在着思想肤浅、内容贫乏等问题,针对这种现象,笔者提出了在生活体验中挖掘思想,在理性概括中深化思想,在个性表达中展现思想等一系列方法。

低碳生物合成:机遇与挑战

低碳生物合成以CO_(2)等可再生碳资源为原料,以生物体为工具进行物质合成,是节约化石原料的可持续路线,是现有化工、农业产品的替代性低碳生产新模式,是CO_(2)高效利用转化的工业碳汇新路径.目前低碳生物合成的产业影响力、技术经济性等还无法与传统路线竞争,CO_(2)等可再生碳资源的生物工业利用范围、转化效率、生物合成的工业能力等是亟待解决的关键科技问题.快速发展的工程生物学是对生物体结构和功能进行工程化设计再造的新生物学领域,正在推动生物学工程化新范式,将从根本上提升生物体将CO_(2)等可再生碳资源转化为生物基产品的能力,引发生物工业的颠覆式突破.针对碳达峰、碳中和战略目标实施,本文分析了低碳生物合成的发展机遇,综述了低碳生物合成国内外的科技进展与发展趋势,探讨了低碳生物合成的科技挑战与重点方向,最后对发展方向提出了相关建议.

导读

对本期发表的酶工程技术、高附加值化合物的生物催化合成以及细胞工厂构建与工艺优化等相关的研究论文和综述进行了评述,主要侧重右旋糖酐酶、酰胺水解酶等新酶挖掘与功能设计,红景天苷、新橙皮苷等天然产物的生物催化转化,1,4-丁二醇、灵芝酸等重要产品生物制造等研究论文进行导读,以期方便读者更好地了解当前工业生物技术的新发展。

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。

恰当运用联想 促发情感共鸣——引发学生诗歌联想的方法例举

古诗语言凝练、意蕴丰厚，能以有尽之言传无穷之意。从诗歌教学的实践来看，存在着教师分析多学生鉴赏少的现象。释词义、析情感、赏技巧，教师忙得不亦乐乎，却忽视了对学生联想想象能力的培养。联想，是人们在客观事物的彼此联系和相互关系中，

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。

理性设计拢牛儿物牛儿基焦磷酸合酶(GGPPS)能够显著增强模式植物烟草类胡萝卜合成及光合作用效率

植物品种培育的关键是寻找优良基因.通过理性设计对植物关键酶进行改造,有望为植物品种培有提供新的优良基因.NtGGPPSI是烟草类胡萝卜素合成途径的限速酶,ntggppsl突变体类胡萝卜含量显著降低.对NtGGPPS1进行理性设计,重塑酶与底物的结合口袋,构建单点饱和突变体文库.通过高通量的细菌颜色实验进行筛选,获.得5个可以显著提升酶活性的氨基酸位点,进一步对以上位点进行迭代组合突变获得酶活性最高的5突变体d-NtGGPPS1(V154A/1161L/F218Y/1209S/V233E).相对于NtGGPPSI,理性设计的d-NtGGPPSI可以将底物IPP和共同底物DMAPP转化为GGPP的效率提高约1995.5倍,能够将GPP或FPP转化产生GGPP的效率提高约25.9或16.7倍.将d-NtGGPPSI回补到ntggppsI突变体可以显著提升叶片类胡萝卜含量,生物量及光合作用效率.该研究表明理性设计GGPPS可以提升植物的产量和品质性状,并为未来通过理性设计获得植物优良基因提供新的突破口.

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体文库。经过建库筛选,从224个克隆中获得3个能够不对称催化还原模式底物四氢呋喃-3-酮的突变体,且转化率及ee值与野生型酶保持一致。结果揭示了虽然醇脱氢酶TbSADH的金属离子绑定位点高度保守,但仍具有一定的可替换性,且不以损耗活性及立体选择性为代价,为后续金属离子置换及其介导的新反应设计奠定了研究基础。