生物通报道：中科院微生物研究所，荷兰格罗宁根大学的研究人员发表了题为“Computational redesign of enzymes for regio- and enantioselective hydroamination”的文章，利用计算机方法重新设计了天冬氨酸酶，将其转化为不对称加氢反应的酶，而且更重要的是，研究人员扩大了这种酶的生产，由此获得了可用于制药和其它生物活性化合物的非常纯的基础元件。

这一研究成果公布在5月21日 Nature Chemical Biology杂志上，文章的通讯作者为中科院微生物研究所吴边研究员和荷兰格罗宁根大学Dick B. Janssen。

酶是在温和条件下重要的天然催化剂，也是化学反应中非常有吸引力的替代品，一般的化学反应都需要消耗高能的高温或高压，还可能产生有毒副产物或需要使用溶剂，如果能采用酶，能解决很多问题，但是这也存在一个问题——由酶催化的反应范围是有限的。

“这就是为什么要对天然酶进行大量修改的原因，”格罗宁根生物分子和生物技术研究所化学生物技术教授Dick Janssen解释道。

摆在面前的困难

修饰酶的经典方法是定向进化(directed evolution)，即在实验室中选择突变序列，创造具有改进催化能力的酶。但是多轮实验需要构建和检测上百，甚至上千种酶突变。如果能根据酶结构和性质进行合理的设计，就能有效的多。

但即便如此，蛋白质由20种不同的氨基酸组成，所以如果你想改变在四个位置上修改酶，那么每个酶就会有20个选择。这样就会造成巨大的蛋白质结构矩阵。

“一个一个地测试它们，即使在电脑上也需要很长时间。 但Monte Carlo 搜索算法非常快，能通过查找酶的反应性趋势来加速发现正确的结果。”

有希望的突变体

研究人员在格罗宁根大学的一个专用计算机中进行这项搜索，花费了好几天时间。但这需要事先大量的建模。

这项研究使用一种酶(天冬氨酸酶)作为许多不同反应的起点，因此起点始终相同。这意味着他们只需要改变靶标反应。“如果我们想对天冬氨酸酶进行新的修饰，那可能只需要三个月。”

在这篇论文中，研究人员描述了四种不同的转化，全部都添加了铵(ammonium)。天冬氨酸酶是一种脱氨酶，所以反应是可逆的。每次转化，这一运算算法的初始选择产生了约100个有前景的突变体。然后研究人员分析其中明显的错误。最后，实验室制造了五到二十个突变体，并进行了测试，看它们是否按预期运行。

底物转化

接下来就是要扩大检测的范围，研究人员分析哪些候选突变可以生产大量所需的产品。目前不超过一公斤的底物转化率为99％，对映选择性(enantioselectivity)为99％，这表明这种方法预测得到酶可以用于工业生产。

作者简介：

吴边，研究员，博士生导师。致力于新型工业酶的发掘，催化应用与工程改造设计。围绕蛋白质大分子的结构和功能对应关系，酶中心化学反应中底物与周围基团的动态变化，多酶联用的适配性，工业酶的改造进化方法学等关键科学问题开展系统深入研究。在Angew. Chem., Trends. Biotechnol., Chem. Comm.等国际著名刊物发表多篇论文。长期与工业界密切合作，曾参与德国巴斯夫(BASF)，荷兰皇家帝斯曼集团(DSM)等跨国化工企业的工业酶项目开发。主持开发的多肽合成酶项目，获得风险投资，并已进入商业化阶段。

原文检索：

Ruifeng Li, Hein J. Wijma, Lu Song, Yinglu Cui, Marleen Otzen, Yu'e Tian, Jiawei Du, Tao Li, Dingding Niu, Yanchun Chen, Jing Feng, Jian Han, Hao Chen, Yong Tao, Dick B. Janssen and Bian Wu : Computational redesign of enzymes for regio- and enantioselective hydroamination. Nature Chemical Biology, 21 May 2018 (Advanced Online Publication).