倍半萜环化酶(ATAS和TEAS)催化机制研究及其蛋白活性重设计

基本信息
批准号:21773313
项目类别:面上项目
资助金额:65.00
负责人:巫瑞波
学科分类:
依托单位:中山大学
批准年份:2017
结题年份:2021
起止时间:2018-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:王凯,陈少锐,王永恒,周经纬,张帆,郑雪萍,程春艳
关键词:
化学选择性蛋白质设计酶催化天然产物量子力学分子力学组合方法
结项摘要

Compared with chemical synthesis, the biosynthesis has been recognized as a more effective way to enhance the chemical diversity of terpenoid natural products. However, the successful application of synthetic biology is still limited by the big-randomicity and low-reproducibility, which highly depends on the exactly understanding of the biosynthetic machinery. Herein, "Mechanism-Design-Synthesis" would be integrated to enhance its success rate in this project. First, by DFT/MM MD simulations, we will elucidate the enzymatic catalysis fidelity/promiscuity of ATAS and TEAS which both belong to the Sesquiterpene Cyclase. Then computationally reveal the thermodynamical, kinetical and structural controllers on the chemical selectivity, and further proved by enzyme mutagenesis experiments. Finally, combined with multi-scale modeling and bioinformatics prediction, we will rationally redesign the enzymatic activity based on the enzyme catalysis mechanistic insights, and construct an efficient and low-cost engineering bacteria to biosynthesize the fused-ring sesquiterpene products with special skeleton and potential drug efficacy, as well as to expand the chemical space by trying to make novel fused-ring products.

在丰富萜类天然产物的化学多样性方面,生物合成相比传统的化学合成有诸多优势,但生物合成的成功应用还受限于随机性大、重现率低的缺陷,这主要是因为对萜类生源途径中相关酶催化机理的认识不够透彻。本项目拟将“机制-设计-合成”串联成一线来提高其成功率。以结构-功能相近的倍半萜环化酶ATAS和TEAS为研究对象,借助DFT/MM MD模拟,基于前期工作(Angew Chem和ACS Catal等),继续深入阐明ATAS具有酶催化专一性(fidelity)而TEAS却呈现出催化杂泛性(promiscuity)的分子机制,揭示调控酶催化主副反应化学选择性的热动力学因素和关键残基,并通过酶突变实验加以验证。结合多尺度模拟及生物信息学方法,开展蛋白活性重设计,初步构建基于廉价工程菌的生物合成方案,力争获得若干个骨架特殊且有潜在药效的稠环倍半萜分子,为丰富倍半萜稠环骨架的化学多样性提供新策略。

项目摘要

基于QM/MM MD计算模拟和实验验证全面揭示了分别来自烟草和土曲霉的两个倍半萜环化酶(TEAS和ATAS)的催化机制,阐明了二者催化杂泛性和专一性的关键调控因子,并进一步总结归纳了倍半萜类环化酶催化的三个关键调控因素: 底物折叠模式、中间体柔性,以及提供与酶反应直接相关的关键残基。在蛋白活性改造方面,TEAS中的突变改造获得了生成大环大根香叶烯倍半萜产物的突变体酶。将此设计理论应用于鸢尾三萜环化酶ItOSCs中,发现Y531F突变体能够减少β-Amyrin生成,增加主产物α-Amyrin的占比(93%),实现了目标产物分子的产率提升。同样应用该设计理论于倍半萜环化酶SaSSy/SanSyn中,理论计算揭示发现F441V突变体潜在的调控催化产物选择性的功能,经实验验证实现了4个产物分子中关键产物1和4的比例实现了2:1的优质檀香的比例优化。上述获得的相关突变体酶可用于后续生物合成研究,并且这些工作已经以第一致谢论文的形式发表于Phys.Chem.Chem.Phys. 2018, 20, 15061.;ACS Catal. 2018, 8, 2353.; ACS Catal. 2020, 10, 1470.; ACS Chem. Biol. 2020, 15, 2820.和ACS Catal. 2020, 10, 9515.等。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
2

监管的非对称性、盈余管理模式选择与证监会执法效率?

监管的非对称性、盈余管理模式选择与证监会执法效率?

DOI:
发表时间:2016
3

硬件木马:关键问题研究进展及新动向

硬件木马:关键问题研究进展及新动向

DOI:
发表时间:2018
4

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

DOI:10.19701/j.jzjg.2015.15.012
发表时间:2015
5

宁南山区植被恢复模式对土壤主要酶活性、微生物多样性及土壤养分的影响

宁南山区植被恢复模式对土壤主要酶活性、微生物多样性及土壤养分的影响

DOI:10.7606/j.issn.1000-7601.2022.03.25
发表时间:2022

巫瑞波的其他基金

批准号:21203257
批准年份:2012
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21272289
批准年份:2012
资助金额:80.00
项目类别:面上项目

相似国自然基金

1

三七放线菌素的生物合成及其倍半萜环化酶的研究

批准号:21402214
批准年份:2014
负责人:颜一军
学科分类:B0705
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
2

艾叶和野艾蒿叶中倍半萜类成分及其镇痛活性研究

批准号:31400305
批准年份:2014
负责人:张来宾
学科分类:C0209
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
3

具有催化活性的新金属蛋白分子的设计和构建

批准号:39870163
批准年份:1998
负责人:黄仲贤
学科分类:C0506
资助金额:13.00
项目类别:面上项目
4

倍半萜合酶FSTS/SDS催化机制及其化学多样性调控研究

批准号:21803080
批准年份:2018
负责人:王永恒
学科分类:B0302
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目