一項(xiàng)利用人工智能驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法成功創(chuàng)建了能夠高效催化酯水解的絲氨酸水解酶，展示了計(jì)算方法在創(chuàng)建復(fù)雜多步反應(yīng)酶的潛力。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，題為《絲氨酸水解酶的計(jì)算設(shè)計(jì)》。研究成果為工程化具有復(fù)雜活性位點(diǎn)的酶提供了框架，拓展了合成生物催化劑的可能性。
從零開(kāi)始設(shè)計(jì)功能性酶仍然是蛋白質(zhì)工程中的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常依賴于將活性位點(diǎn)插入現(xiàn)有的蛋白質(zhì)支架中，這可能由于結(jié)構(gòu)限制而影響催化效率。盡管如此，計(jì)算設(shè)計(jì)的酶相比天然酶效率較低，但機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的進(jìn)步為更復(fù)雜的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)提供了新機(jī)遇。
“我們認(rèn)為，設(shè)計(jì)一個(gè)絲氨酸水解酶，這種酶雖然特性明確但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將是一個(gè)理想的模型系統(tǒng)，可以用來(lái)測(cè)試最新的AI工具，并幫助我們發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于其他酶設(shè)計(jì)的一般方法。”共同主筆Anna Lauko博士在接受GEN采訪時(shí)表示。她是華盛頓大學(xué)Baker實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。
Lauko和她的同事們開(kāi)發(fā)了一種名為PLACER(Protein-Ligand Atomistic Conformational Ensemble Reproduction)的新型機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)酶的活性位點(diǎn)構(gòu)象。
AI設(shè)計(jì)的絲氨酸水解酶
“我們可以配置PLACER來(lái)預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)每一步中活性位點(diǎn)的構(gòu)象，從而計(jì)算檢查催化側(cè)鏈?zhǔn)欠裨谡麄€(gè)反應(yīng)機(jī)制中采用活性構(gòu)象?！盠auko向GEN解釋道。
研究團(tuán)隊(duì)首先使用已有的生成AI框架RFdiffusion來(lái)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜催化位點(diǎn)的蛋白質(zhì)。然后，他們用PLACER評(píng)估活性位點(diǎn)構(gòu)象，通過(guò)分析蛋白質(zhì)骨架、氨基酸和結(jié)合分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度的酶設(shè)計(jì)。利用這種方法，團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出能夠高效催化酯水解的絲氨酸水解酶。
“酶的設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榛钚晕稽c(diǎn)的構(gòu)象必須原子級(jí)精確，才能使催化反應(yīng)順利進(jìn)行?！惫餐鞴PSam Pellock博士指出，他也在華盛頓大學(xué)工作?！斑@需要精確設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)不僅僅是整體蛋白質(zhì)折疊，還包括單個(gè)側(cè)鏈的構(gòu)象，尤其是對(duì)于那些含有多個(gè)催化殘基或使用多步催化機(jī)制的酶?！?/p>
最終，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的酶在保持高催化效率的同時(shí)，對(duì)活性位點(diǎn)的具體要求最小化。起初，設(shè)計(jì)的酶只能完成反應(yīng)機(jī)制的前半部分，然后就失去活性。
團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)了包含三個(gè)催化基團(tuán)的簡(jiǎn)化版本，然后轉(zhuǎn)向創(chuàng)建包含天然絲氨酸水解酶中所有五個(gè)催化基團(tuán)的更復(fù)雜設(shè)計(jì)。
“我們認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)更簡(jiǎn)單的活性位點(diǎn)可能會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。”Lauko解釋道。“我們嘗試了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，當(dāng)看到一些設(shè)計(jì)能夠催化整個(gè)反應(yīng)時(shí)，我們非常高興?！?/p>
通過(guò)對(duì)創(chuàng)建的絲氨酸水解酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些新酶保留了與天然絲氨酸水解酶不同的折疊結(jié)構(gòu)，并具有高催化效率。這些新酶的結(jié)構(gòu)與計(jì)算設(shè)計(jì)模型高度吻合，這一點(diǎn)通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)分析得到了證實(shí)。“當(dāng)我們看到它與預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)如此吻合時(shí)，我們非常激動(dòng)?！盠auko說(shuō)。
通過(guò)篩選具有活性位點(diǎn)預(yù)組織的設(shè)計(jì)酶，團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)先選擇在現(xiàn)實(shí)中更有可能成功的新酶設(shè)計(jì)。研究結(jié)果凸顯了計(jì)算工具在酶工程中的潛力，特別是在創(chuàng)建具有工業(yè)和藥物應(yīng)用的生物催化劑方面。通過(guò)將AI工具融入實(shí)驗(yàn)方法，研究人員建立了一種靈活的策略，用于設(shè)計(jì)具有定制功能的酶，在合成生物學(xué)應(yīng)用中具有高價(jià)值。
“我們希望本文中的概念和方法能夠在未來(lái)應(yīng)用于設(shè)計(jì)新酶，這些酶能夠作用于重要底物或執(zhí)行新的化學(xué)反應(yīng)?！盤(pán)ellock總結(jié)道。
本文譯自 genengnews，由 BALI 編輯發(fā)布。
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