基于非典型分子间相互作用的酶理性设计

Noncanonical interactions are a class of weak non-covalent interactions that have an important contribution to the function of biological macromolecules. However, the questions of how the noncanonical enzyme-substrate interactions affect the catalytic performance of the enzymes and how to effectively utilize them to obtain ideal enzymes remain elusive. Therefore, carbonyl reductases and prochiral ketones are selected as the key components to construct protein engineering models based on noncanonical interactions. The effects of the noncanonical interactions on enzyme catalytic activity, stereoselectivity, substrate spectrum and stability will be systematically studied by homology modeling, molecular docking and molecular simulation. Furthermore, the precise introduction/elimination mechanism and energy distribution of the noncanonical interactions will be deeply researched by rational design, site-directed mutagenesis, conformational analysis and energy analysis. Through above studies, this research dedicated to establish a novel enzyme rational design strategy based on the noncanonical interactions to make the design of the enzyme more rational, and provide new ideas, new methods and platform technologies for obtaining efficient biocatalysts.

非典型分子间相互作用是对生物大分子功能体现具有重要贡献的一类非共价弱分子间相互作用。然而，有关酶-底物间非典型分子间相互作用究竟如何影响酶的催化性能以及如何有效利用该类分子间相互作用对酶分子进行改造以获得理想酶催化剂的问题却未深入研究。鉴于此，本项目拟以羰基还原酶及其潜手性酮底物为关键组件，借助同源建模、分子对接和分子模拟等手段构建基于酶-底物间非典型分子间相互作用的酶分子改造模型，系统研究非典型分子间相互作用对酶催化活性、立体选择性、底物谱和稳定性等的影响；再通过理性设计、定点突变、构象分析和能量解析等手段，研究非典型分子间相互作用的精准引入/消除机制和能量分布状态。以此为基础，建立基于非典型分子间相互作用的酶理性设计策略，为高效生物催化剂的获得提供新思路、新方法和平台技术，让酶的设计变得更加理性。

非典型分子间相互作用是对生物大分子功能体现具有重要贡献的非共价弱分子间相互作用。然而，酶-底物间非典型分子间相互作用如何影响酶催化性能以及如何利用该类分子间相互作用对酶分子进行改造以获得理想酶的问题却未深入研究。为探究非典型分子间相互作用对酶催化性能的影响并构建相应的酶理性设计策略，本项目开展了酶组件筛选、酶-底物匹配和催化性能分析、分子水平的构效关系分析、酶-底物相互作用分析、酶理性设计、突变体构建、分子动力学模拟等工作。首先，由于卤素和芳香苯环是非典型分子间相互作用形成的重要参与者，故选择能够不对称还原卤代苯乙酮的羰基还原酶BaSDR1及其作用底物为研究对象。羰基还原酶BaSDR1与底物结合构象和相互作用分析发现，包括非典型分子间相互作用在内的酶-底物间相互作用和空间位阻在底物优势构象的产生和稳定中表现出明显的“推-拉”作用，在决定酶的立体选择性和催化活性方面具有重要作用；此外，这种“推-拉”作用在酶催化性能中作用的积极与否与底物原子和酶氨基酸残基所在位置密切相关，而且底物结构细微的变化也会使这种“推-拉”作用表现出不同的效果。最后，为了探讨非典型分子间相互作用的可调控性并验证上述结论的准确性，根据包括非典型分子间相互作用在内的酶-底物间相互作用和空间位阻等因素对酶催化性能的影响，针对性的设计了通过底物结合口袋氨基酸残基的定点突变进行底物结合构象微调的策略以调控酶催化性能；结果表明，所设计的酶分子改造策略是有效的，通过该策略的执行，获得了多个催化活性显著提高的羰基还原酶。更重要的是，所获得羰基还原酶突变体保持了野生型酶的高立体选择性，避免了酶催化活性和立体选择性顾此失彼的现象出现。上述研究加深了对非典型分子间相互作用在酶-底物结合和决定酶催化性能中所扮演角色的认识，并为如何利用包括非典型分子间相互作用在内酶-底物间相互作用调控酶催化性能提供了参考。