符合工程化需求的生物元件设计

催化元件设计的国际前沿进展

催化元件是合成生物学研究中重要的基本生物元件。虽然在人工合成途径组装中可以跨物种应用天然酶资源来重构特定的代谢途径，但由于自然界的固有催化特征体系，人工合成往往无法满足合成生物学的一些特殊要求，如在异源宿主中表达量低、生理条件不适应、上下游酶活性不匹配等。因此，通过对催化元件的人工设计和组装来提供具有新功能的元件成为人工合成途径构建的基础。

目前，利用定向进化策略提高催化元件活性、稳定性等方面已经获得一定成效。但由于突变体文库构建数量庞大，并需多轮进化，因而定向进化策略难以完成对序列空间的全面搜索。除此之外，突变技术中固有的密码子简并性和碱基突变倾向性使突变文库多样性受到极大限制。随着高性能计算技术发展，计算蛋白质设计技术取得了前所未有的发展，尤其在核心元件酶催化设计方面发挥出巨大作用。利用计算蛋白质设计可根据反应特性以及底物结构等特定研究，定向改造催化元件，并建立全面搜索高精度智能化文库。这极大程度降低了定向进化策略庞大突变体文库所需的材料成本、时间成本及人力成本。2016 年，Nature杂志发表了题为《全新蛋白质设计时代来临》的重要综述。同年，Science杂志也将蛋白质计算机设计遴选为年度十大科技突破之一。2017 年，美国化学会将人工智能设计新型蛋白质结构列为化学领域八大科研进展之首。通过高精度、高效计算模拟技术，蛋白质分子结构、功能设计极大程度扩展了人工改造生命体的应用场景，为现代生物制造带来全新发展机遇。针对酶的催化功能特性，目前催化元件的计算设计研究主要涵盖基于结构的从头预测酶分子及后续优化设计，基于催化底物的立体选择性及位置选择性设计，基于金属催化特性的金属酶设计，以及基于功能特性的热稳定性设计等领域。

2008 年，华盛顿大学 Baker 团队提出从内而外的“Inside-out 策略”，并应用该策略设计改造了逆醛醇缩合酶、Diels-Alder 反应催化酶、Kemp 消除催化酶等一系列酶。然而，尽管从头计算新酶设计已取得一定成功，“Inside-out 策略”依然存在不同层面的缺陷：①策略中的模型——theozyme，不能完全反映酶催化过程的真实过渡态；②新酶设计需要将催化活性中心与蛋白质骨架进行嵌合，而嵌合过程难免会影响蛋白质的结构和稳定性；③在计算过程中并未考虑长程静电相互作用及蛋白骨架“诱导-契合”的变构影响，经过循环设计和结构优化后获得的酶分子构象非常容易陷入能量势阱，在相邻位置可能存在其他极小值。因此，基于“Inside-out策略”设计的少数具有预期功能的新酶分子初始活性相对较低，需要通过进一步改造来提高酶学属性。

随着量子力学和分子动力学理论及方法学的发展，计算精度不断提升，计算尺度逐步扩大，相关算法的通量、灵敏度、选择性等也有大幅提高。因而，利用量子力学/分子动力学以及大数据分析方法可以快速定位特定功能区和协同进化位点，为合成生物学功能器件提供大量精确模板和互作模型。在基于“Inside-out 策略”获得的新酶基础上进一步推动催化元件活性大幅提升，使酶工程技术迎来发展新阶段，同时也为发展符合工程化需求的生物元件设计提供指导规律。