合成生物学中蛋白质计算预测设计的应用与发展

合成生物学以"工程化"为核心指导思想,自下而上开发生物技术来解决人类社会面临的重大挑战。蛋白质作为生命活动的直接执行者和合成生物学中关键的底层元件,对其定量认识和工程改造的能力直接影响合成生物学的上层建筑。通过蛋白质计算设计技术可实现功能空间跳跃,为合成生物学提供全新元件,使序列-结构-功能的研究从"格物致知"转化为"建物致知"的新范式。该文介绍了在蛋白质序列-结构-功能的预测和设计中采用的前沿技术和应用进展,讨论了蛋白质计算设计面临的科学挑战,并提出了应对挑战应优先发展的研究方向。

细胞色素P450BM3蛋白质瞬时界面的计算设计研究

瞬时蛋白,蛋白作用在细胞内有着重要的生理作用,所形成的界面为瞬时蛋白,蛋白界面。作为电子传递功能相关瞬时界面的代表,细胞色素P450被广泛的研究。本文选取具有高效电子传递效率的P450BM3蛋白作为研究素材,在其HEME域上选择了9个设计位点。通过在能量函数中引入特异性能量函数项,取得了较好的设计结果,有6个位点的残基类型与天然蛋白的残基类型一致。另外,本文还探讨了计算模型中加入水分子的重要性,说明了水分子在提供范德华能和氢键能方面的作用。

基于多重计算设计策略提高奇异变形杆菌脂肪酶的热稳定性

来自奇异变形杆菌的脂肪酶(Proteus mirabilis lipase,PML)具有较好的有机溶剂耐受性,在生产生物柴油等领域有广泛的应用潜力。然而,其热稳定性仍有待提高以更好地适应工业生产。近年来,基于计算机辅助的多种计算设计策略的发展为酶的热稳定性改造提供了更多的思路。文中首先选择了3种基于互补算法的软件ABACUS、PROSS以及FoldX为正筛对PML进行计算设计,选择其两两交集,利用PSSM序列保守性分析和GREMLIN共进化分析两种负筛进一步缩小突变文库,得到18个单点突变设计。经实验验证,有7个T_(m)提高的突变体,其中K208G和G206D的ΔT_(m)最高,分别为3.75℃和3.21℃。选择其中5个酶活高于野生型的突变体利用贪婪累积策略进行组合,最终五点组合突变体M10的T_(m)提高了10.63℃,相对酶活为野生型的140%。组合过程中K208G和G206D展现出了一定的上位性,为M10热稳定性的提高作出了主要贡献。分子动力学模拟表明在突变位点及附近区域有新的作用力产生,G206D/K208G附近作用力的重排可能稳定了对PML稳定性有关键作用的Ca2+结合位点。本研究为天然酶的热稳定性改造提供了高效且兼顾用户友好性的计算设计方案,并为PML的改造及其工业应用的拓展奠定了基础。

基于柔性区域的计算设计改造玉米赤霉烯酮水解酶热稳定性

来源于粉红螺旋聚孢霉Clonostachys rosea的玉米赤霉烯酮水解酶(ZHD101)可以有效降解谷物农副产品和饲料中的霉菌毒素玉米赤霉烯酮(Zearalenone,ZEN),但是,该酶的热稳定性较低,限制了其在工业中的应用。由于水解ZEN的反应没有吸光值的变化,不适合高通量筛选。本文以ZHD101为模式酶,进行计算虚拟突变并结合实验验证。通过比对不同温度下的分子动力学模拟轨迹,选取32个柔性位点;再通过位置特异性评分和酶构象自由能计算,从32个柔性位点上的608个虚拟饱和突变体中筛选出12个突变体。经实验验证,其中3个突变体N156F、S194T和T259F的热熔融温度有一定程度的提升(ΔT_(m)>4℃),且酶活性与野生型类似甚至更高(相对酶活性为95.8%、131.6%和169.0%)。分子动力学模拟分析显示,导致3个突变体热稳定性提高的可能作用机理分别为NH-π作用力、盐桥重排和分子表面空穴填充。将3个突变体进行迭代组合突变,N156F/S194T表现出最高的热稳定性(ΔT_(m)=6.7℃)。这项工作表明基于柔性区域的虚拟饱和突变在酶稳定性改造上的可行性,探索计算虚拟改造结合实验验证的酶改造策略。

基于多重计算设计策略提高枯草芽孢杆菌脂肪酶的热稳定性

提高酶的热稳定性是生物催化领域的热点和难点,计算机辅助的理性设计相比于传统的定向进化更加高效,在酶工程领域中的应用越来越广泛和深入。文中以枯草芽孢杆菌脂肪酶A为模式蛋白,首先,利用Rosetta-VIP计算设计对酶的结构空腔进行分析,选择了16个有利于结构空腔填充(ΔΔE<0)的单点突变,并以突变位点的溶剂可及表面积和进化保守性为二次筛选依据,测定了其热稳定性与酶活性。有6个单点突变体(F17A、V74I、L114P、I135V、M137A、I157L)的热稳定性得到了提高,其中Tm值最大提高3.18℃。结果表明,单点突变体满足ΔΔE越低、蛋白溶剂可及表面积减少且符合序列保守性,则得到保留原有酶活力的正向突变的可能性越大。此外,将热稳定性提高的6个单点突变进行迭代组合突变,两点组合突变体的Tm最大提高4.04℃,三点组合突变体的Tm最大提高5.13℃,四点组合突变体的Tm提高了7.30℃,六点组合突变体的Tm提高了7.43℃。因此,基于酶的分子结构的空腔分析、溶剂可及表面积及氨基酸序列保守性计算的多重虚拟筛选方法,可有效提高酶的热稳定性。