符合工程化需求的生物元件设计

人工金属催化酶设计

金属酶在原子转移反应中占有重要地位。自 21 世纪初开始，人工金属酶设计迅速发展，并从水解反应等天然催化反应扩展至碳-碳键连接、氧转移反应等非天然酶催化原子转移反应。例如，上述的 Diels-Alder 反应中，人工金属酶催化 Diels-Alder 反应的立体选择性和反应活性已与化学催化剂相当。此外，相对于天然酶，金属酶的底物范围明显增大。2011 年，Kuhlman 课题组偶然发现，在同源二聚体界面处计算设计的 Zn(Ⅱ) 结合位点可有效催化羧酸酯和磷酸酯水解。随后，他们在 rabenosyn 蛋白的 Rab4 结合域引入组氨酸与 Zn(Ⅱ) 配位，该复合体对 4- 硝基苯基乙酸酯的水解速率提升了 5 个数量级。除了活性位点结构优化外，化学连接法也是人工金属酶设计的可行策略。Rovis 课题组让生物素 Rh(Ⅲ) 配位复合物与链霉亲和素结合，构建出用于活化 C-H 键的人工金属酶，催化速率提升了100 倍，并具有 93% 的对映选择性。此外，正如 Alexandrova 课题组在综述中所述，金属酶进化过程除了受反应活性等因素影响外，还受金属可用性和毒性影响。在这些限制因素下，金属催化剂并非一定达到其最佳催化性能。因此，利用新型金属代替固有金属催化剂改善酶的催化性质为金属酶分子设计提供了新思路。Itoh 和 Fujieda在分子动力学模拟的基础上，利用铜离子取代 β- 内酰胺酶的双锌离子结合部分，制备了人工双铜氧化酶。与野生型 β- 内酰胺酶相比，这种铜取代氧化酶的三重突变体催化 4- 叔丁基羧酸酯的 k_cat/K_M值增加了 87 倍。