2023青年绿碳科学大会于11月11日至12日在青岛市召开。国家杰青、中国科学院微生物研究所吴边研究员应邀作题为“微生物碳氮成键酶的挖掘与应用”的精彩报告。
微生物碳氮成键酶的挖掘与应用
研究背景
微生物是我们非常宝贵的生物资源，过去百年的诺奖历史里与微生物相关的奖项有10余项。微生物酶更是大自然馈赠给我们人类的一个珍贵的宝藏。例如，我们经常使用的DNA内切酶，做PCR用的DNA聚合酶等都是从微生物里面发掘出来的。因此，某种程度上，微生物酶奠定了整个生物技术基础，同时也是生物制造时代的“核心芯片”。
传统的微生物酶学研究已有长达百年的历史，酶的挖掘也面临着极大的挑战。微生物酶的种类繁多，功能多样，序列可变性高，对传统实验依赖度高。然而，传统酶学研究已经难以满足大数据时代的需求。以Alphafold为代表的人工智能的发展为酶学研究注入了新的创造性的解决方案。
报告内容
吴边研究员基于人工智能的研究思路开拓了酶学研究前沿，在报告中重点介绍了围绕微生物的碳氮成键酶所开展的工作。
地球上有丰富的碳元素和氮元素。以碳和氮这两种丰富的元素为基础产生了我们地球上如此丰富的生命。所以，碳氮成键反应是铸造生命反应的核心基础。碳氮成键反应在生物制造方面也非常关键，全球销量排名前十的药物都含有碳氮结构。在当今的制药工业里面，大约每进行六步反应就有一步涉及到碳氮成键反应。
吴边研究员及其团队研究思路是通过数字化的手段实现碳氮成键酶的高效开发。
打造多功能多尺度的微生物酶计算设计平台
从新酶创制的应用需求出发，吴边团队自主研发了一个高效多维的微生物酶的计算设计平台。利用这一平台可以找到酶、设计酶，并可将原来通过实验才能筛选酶的工作量实现指数级下降。通过前期团队内部的使用测试，该平台从2022年起逐步进行软件开源，从今年起招募IT行业专家协助将这些软件进行在线网页化设计，方便更多科研工作者使用。目前，该平台在国际上独具特色与影响力，欢迎同行专家使用。
解析碳氮成键酶的机制与从头设计
氮气进入生命体系里需要固氮酶的作用。固氮酶把氮固定并形成氨，无机氨再转化为谷氨酸，进入整个氨基酸循环。那么，我们有没有可能设计另一条把氨固定到生命体系里合成氨基酸的途径？
自然界中存在一种氢胺化酶，可以催化氢胺化碳氮成键酶促反应，但这个酶的底物特异性非常高。因此，吴边团队通过计算把氢胺化酶的活性中心进行精确刻画，在原子尺度上清晰解析了酶的特异性机制。
在上述机理解析基础上，开展了氢胺化酶的计算重设计，对酶的活性中心进行全局重构和多次的基于分子模拟的筛选，最终通过实验获得具有活性的酶的群体。通过这样的方法，将大约256亿种实验组合缩减到几十次实验即可找到数十种目标新酶，使其呈现出新的氮同化途径，并都能达到工业级生产水平。
全新转氨途径的设计与开发
氨转移到氨基酸后，还要通过转氨反应进一步转移到下游反应。如何设计才能实现更多的转氨反应？吴边团队通过计算分析，将转氨酶局部的活动中心和它基因的一级序列之间进行了共性化分析，并重新梳理了一条和传统进化树不一样的进化图谱，通过找到进化关系上的节点，预判可能的氨基酸供给的选择性。通过这种方法，可以把覆盖整个天然氨基酸的转氨酶从几十万条序列缩减到27条，实现酶活力验证的全覆盖。
氨基酸组装机制研究
氨基酸是蛋白质的组成单元，氨基酸是如何组装成蛋白质的呢？基于生物学黄金中心法则获得的蛋白质远不及真正的蛋白质的复杂性。人体里面含有的蛋白质包括磷酸化、乙酰化等各式各样的修饰，这些修饰都是无法通过中心法则进行预测的。吴边团队成功找到一套酶实现了这些天然元件的替代。
依靠ATP供能，氨基酸合成蛋白质是一个能量活化、定位，再经过核糖体组装的过程。天然进化出来的这套系统是非常完美的。吴边团队找到的酶是用化学活化试剂进行整个能量的输入，因此要求酶的稳定性必须达到非常高的程度。首先通过计算，快速将这些酶的鲁棒性进行再设计，然后利用团队开发的无痕蛋白质拼接的多酶级联平台系统，获得N端、C端或中段修饰的蛋白质，以及环状蛋白质等多种非天然蛋白质，从而实现了非天然酶快速精准设计的突破。
展 望
吴边研究员表示，上述工作皆与绿碳领域密切相关，并且在新的多肽药物和蛋白质合成等方面可以直接应用到产业中。我们有理由相信，在未来的绿碳经济中，酶是必不可少的、重要的核心元件之一。结合黑箱和白箱的方法，通过数字化的方式提升酶设计预测的准确性，将是未来一段时间的重要发展方向。
专家简介
吴边 研究员
吴边，中国科学院微生物研究所研究员、博士生导师，国家重点研发计划合成生物学项目首席，获国家杰出青年基金资助。主要工作致力于生物催化相关的元件挖掘、机理解析、酶工程改造、合成设计等工作；解析了酶催化碳-氮成键反应的详细机理，并通过人工改造将其应用于生物大分子与生物小分子的精准合成与定向修饰。尤其是近年来，将蛋白质计算机设计的前沿方法引入酶工程的研究中，促进了复杂大分子结构设计的发展。在Nat. Catal.、Nat. Chem. Biol.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.等国际主流学术刊物上发表论文数十篇。在此基础上构建出一系列化学品的生物合成途径，已有多肽药物酶法拼装、β-氨基酸生物合成、氮杂环类药物中间体顺次发酵等多项技术成功实现产业化应用。
原文链接
吴边研究员与Green Carbon | 微生物碳氮成键酶的挖掘与应用
Green Carbon
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投稿网址：Green Carbon投稿
公众号：Green Carbon公众号
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