符合工程化需求的生物元件设计

从头预测酶分子优化设计

通过分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟、量子力学/分子力学（quantum mechanics/molecular mechanics，QM/MM）联用方法对酶分子催化机理分析，以及对蛋白质骨架结构进行进一步修饰可大幅提高基于从头预测方法获得新酶分子的催化活性。例如，在 Kemp 消除反应酶分子设计中，羧酸基团作为广义碱与非极性底物间相互作用。但是由于羧酸基团自由度较大，如果不能准确计算羧酸基去溶剂化效应的能量消耗及熵减，可能使羧酸基团失去广义碱功能从而导致反应无法进行。Warshel 课题组通过 QM/MM 经验价键（empirical valence bond，EVB）方法预测高活性 Kemp 消除反应突变体，其结果与实验值比较一致，但与实验速率常数推导出的能垒的相关性较弱。Mayo 课题组计算迭代方法，以非活性蛋白质支架 HG-1 为起始点计算，迭代校正后获得的 8 种设计酶均表现出显著的催化活性，大幅提高了计算设计酶分子的成功率。

Diels-Alder 反应是双分子成环反应，自然界中并未发现能够催化该反应的天然酶分子。2010 年，Baker 研究团队通过“Inside-out 策略”设计了 84 个可能具有 Diels-Alder 反应催化活性的蛋白，实验验证后仅余两个蛋白（DA_20 和 DA_42）具有 Diels-Alder 反应催化活性。随后，Baker 团队通过 Foldit 在线蛋白质折叠游戏对从头设计的 Diels-Alder 催化酶引入骨架活性以改善骨架结构问题。多名在线贡献者重塑 DA_20 骨架，使底物与蛋白骨架充分适应调整，从而将 Diels-Alder 催化酶活性提高至少 18 倍。2012 年，Roelfes 课题组在转录因子 LmrR 孔道末端引入半胱氨酸，共价连接含有邻菲罗啉或联吡啶基团的小分子进而与 Cu(Ⅱ) 配位，设计出的人工金属酶具有 97% 的对映选择性。