非天然氨基酸突变的蛋白酶催化反应机理的理论计算研究

Unnatural amino acids, compared to their counterparts in natural amino acids, possess functional groups with more diverse properties。The approach that introduces unnatural amino acids into enzymes opens a door to a new field for the research on enzyme function and enzyme engineering. Although the experimental studies on enzymes with unnatural amino acids mutations have recently made significant progresses, its computational counterparts are lagging far behind. Till now, the computational works on enzymes with unnatural amino acids mutations are largely qualitative, quantitative ones are seldom reported. The proposed project here will for the first time establish the polarizable force fields for common unnatural amino acids and implement into the existing software a new strategy for quantitative and efficient enzymatic studies, which combines AMOEBA polarizable force field, hybrid QM/MM dynamics, and transition path sampling. Meanwhile, the project chooses myoglobin and β-lactamase (two enzymatic systems with latest experimental results) as representative systems, from the viewpoint of structure and energy decomposition, to explain the effect of unnatural amino acids mutations on the mechanism of enzymatic reactions at the atomic level. The proposed work will facilitate the application of unnatural amino acids mutations in biomedical engineering and industrial catalysis.

非天然氨基酸比天然氨基酸具有更多不同属性的化学功能基团，将非天然氨基酸引入到蛋白酶中的突变手段为研究蛋白质功能以及改造其功能打开了一扇新的大门。尽管非天然氨基酸突变蛋白酶相关的实验研究近年来已获得阶段性成果，但其理论计算研究却相对滞后。目前，对非天然氨基酸突变的理论计算研究大多为定性性质的，定量研究还非常欠缺，几乎属于空白。本研究将首次为常用非天然氨基酸构建AMOEBA可极化分子力场，并将AMOEBA可极化分子力场、QM/MM混合动力学和过渡路径采样方法结合，构建高精度和高效率的酶催化反应理论计算工具。同时，选取近期被实验重点研究的肌红蛋白和β-内酰胺酶两个系统为代表，主要从结构和能量分解量化方面，在原子水平上详细地阐释非天然氨基酸突变对酶催化反应机理的影响。该研究将有助于促进非天然氨基酸突变蛋白酶在生物医学和工业催化上的应用。

非天然氨基酸突变是改造蛋白酶功能的重要手段，但目前对非天然氨基酸突变酶的定量理论计算研究还相对匮乏。本研究首先建立了常用非天然氨基酸的全原子力场，并通过发展能量分解分析手段和反应坐标鉴定方法成功打造了可用于研究非天然氨基酸突变蛋白酶的理论计算工具；通过结合分子动力学模拟和能量分解分析，本项目继而阐明了非天然氨基酸突变，特别是V216AcrF突变，对β-内酰胺酶水解抗生素能力影响的具体机制。此外，详细解释了cGAS蛋白识别DNA、结合小分子抑制剂和形成二聚体结构的微观机制。本项目开发的理论计算工具不仅可以用于更多非天然氨基酸突变蛋白酶的研究，也可有力促进其他生物大分子作用机理的研究。项目资助发表期刊论文9篇，待发表两篇，发表2章专著章节和申请1个软件著作权。