基于生化反应指纹特征的酶模型构建

Catalytic enzyme prediction is very important in biosynthesis pathway design, which involves with comprehensive biochemical transformations, mapping with catalytic enzymes, and construction of enzyme-substrate relationships, and data mining of the knowledge discovery between enzyme protein sequence characteristics, and substructure molecular fragments. This proposed project will carry out (1)data fusion of biosynthetic reactions and their corresponding catalytic enzymes, comprehensive collection of biosynthetic transformation database, discovering knowledge from biosynthetic transformations and enzymes, and then retrieve required enzymes for given biosynthetic transformations; (2) improvement of enzyme commission numbers prediction method (ECAssigner) using different kinds of biochemical reaction fingerprints; (3) construction of enzyme-substrate models using catalytic enzyme protein sequence characteristics and substrate molecular fragments. The proposed project could further form a technical reference basis for discovering catalytic enzyme biological parts for biosynthetic pathway design.

在生物合成途径设计中，酶的研究非常重要。酶研究涉及到广泛生化反应化学结构特征以及酶的数据融合，化学结构转化与酶的关系模型构建，以及底物化学结构特征与酶蛋白序列特征的知识规律发现等瓶颈问题。本项目拟基于生化反应的指纹特征，从三个方面来进行酶的研究：（1）开展数据融合工作，广泛收集各种生化反应，映射相关的酶和基因等数据，建立广泛的生物合成转化数据库，挖掘生化反应化学结构转化与酶的关系规律，根据生化反应转化类型来从数据库中发现酶；（2）采用不同的生化反应化学结构转化描述方法，完善基于课题组开发的生化反应指纹来计算酶号的方法；（3）构建基于蛋白质序列特征与化学结构片段指纹特征的酶与底物特异性结合相互关系模型。本项目拟为生物合成分子结构转化途径设计平台提供酶参考元件库。

在生物合成途径设计中，基于分子结构的酶的研究非常重要。.本项目的主要研究内容有：（1）开展数据融合工作，广泛收集各种生化反应，映射相关的酶和基因等数据，建立广泛的生物合成转化数据库，挖掘生化反应化学结构转化与酶的关系规律，根据生化反应转化类型来从数据库中发现酶；（2）采用不同的生化反应化学结构转化描述方法，完善基于课题组开发的生化反应指纹来计算酶号的方法；（3）构建基于蛋白质序列特征与化学结构片段指纹特征的酶与底物特异性结合相互关系模型。.本项目的重要成果：.（1）基于分子结构的生物降解元件数据库（FRCD）：集成构建了1万多毒素有关的生物降解元件和反应数据库，文章发表于Food Chemistry, 2020。.（2）基于蛋白质序列的催化功能预测模型（Bio2Rxn）：实现了基于蛋白质序列的生物元件催化功能预测，文章发表于Bioinformatics, 2020。.（3）分子结构转化的特征挖掘工具（RxnBLAST）：实现了基于反应的分子结构转化特征挖掘工具，文章发表于Bioinformatics, 2020。.（4）对基于分子结构转化的元件挖掘，以及基于分子结构转化的细胞工厂设计技术体系，进行了系统性的综述，文章发表于Brief Bioinform 2019。.本项目关键数据：（1）本项目集成了跟30多万分子结构转化有关的20多万生物元件；（2）发表SCI通讯作者文章11篇（其中8篇是一区文章，另外3篇是2区文章）。.本项目的科学意义：本项目拟为生物合成分子结构转化途径设计平台提供酶参考元件库。