计算酶设计中活性位点序列选择全局优化算法研究

计算酶设计是计算机辅助化学产品设计的重要研究内容，是传统的化工系统工程与现代生物化工相结合的研究范例。本申请探索在数学规划建模的基础上建立计算酶设计问题的混合整数非线性规划模型，通过分析这个模型的特殊数学结构克服模型中非凸带来的优化困难，核心是开发计算酶设计中活性位点序列选择的全局优化算法，从而确定性的找到对应于全局能量最低构象的氨基酸序列。在计算酶设计全局优化算法的基础上，本申请进一步探索酶活性位点序列选择的物理化学规律，研究通过计算设计提高酶活性的可行性方法。本申请预期将研究的计算酶设计的序列选择模型及全局优化算法应用到CPC酰化酶的活性位点设计中，为开发一步酶法制备药物中间体7-ACA打下基础。

本项目基本按照申请书中的计划进行，按时完成了相应的研究内容，取得了很好的研究结果。我们开发的计算酶设计方法将酶活性位点的序列选择分为催化位点设计及结合位点设计两个部分，具体内容及取得的结果包括：（1）开发了催化残基位点选择的匹配算法，这个匹配算法可以按照酶催化反应过渡态的催化约束条件，在一个蛋白骨架上安装一个可以催化这个反应的活性位点。（2）开发了描述蛋白－配体结合的水合配体转子模型，这个模型是在统计了42个蛋白－配体复合物结构的基础上开发的，水合配体转子模型可以大大减少计算酶设计中设计位点处因显示考虑水分子而带来的组合爆炸问题，为克服隐式溶剂模型的困难打下了基础。（3）基于计算酶设计中结合位点序列选择的混合整数线性规划问题的数学特点，建立结合位点序列选择的系统优化模型并开发了以求解线性规划松弛问题、打分函数筛选转子及求解小MILP问题为核心内容的全局优化算法。（4）以AcyII为基础建立了CPC酰化酶的实验表达平台，可以进行蛋白的表达、纯化及活性测定，为进一步的计算设计打下了基础。