哈佛医学院设计新算法，实现β-内酰胺酶中引入多个突变

酶是生命的核心，也是开发创新药物和应对社会挑战的关键工具。数十亿年来，酶通过改变支撑其三维结构的氨基酸序列而进化。

寻找提高酶活性的方法对许多工业应用大有裨益，利用现代分子生物学工具，可以简单且经济高效地改变氨基酸序列，以促进其性能的改善。然而，随机引入哪怕只有三到四个序列变化也有可能导致其活性急剧下降。

近日，来自博德研究所、哈佛医学院、都柏林圣三一学院的科学家合作，在Nature Communications上发文表示，他们设计了一种新算法，可以一次对酶序列进行多项更改，目前的模型是一次引入一个或几个小的更改。文章题为“Simultaneous enhancement of multiple functional properties using evolution-informed protein design”。

“这项研究在工业领域有着广泛的应用，包括食品生产中需要用到的酶、塑料降解酶以及与人类健康和疾病相关的酶，因此我们对未来的可能应用感到非常兴奋。”都柏林圣三一学院博士生 Eve Napier 表示。

他们针对β-内酰胺酶进行了研究。β- 内酰胺酶又称为盘尼西林酶、头孢菌素酶，是一类由某些细菌生成来提供多重抗药性，对抗 β-内酰胺类抗生素（比如青霉素、头孢菌素、单酰胺环类、碳青霉烯等）的酶。

该酶具有多年研究历史，但通过改变序列优化功能一直难以实现。先前的研究表明，随机顺序引入 β- 内酰胺酶突变会导致活性快速衰减（对氨苄青霉素有抗性），在引入仅 10 个突变后，几乎所有变体的活性都会完全消失。

在这项研究中，研究人员研究了序列共变的进化模型是否可用于设计包含许多靶序列变化同时保持功能的酶变体。此外，研究人员还测试了一级氨基酸序列的大幅变化是否会导致蛋白质特性增强，例如热稳定性增强、活性增强和可用底物范围扩大，并研究了这些突变对蛋白质 3D 结构的影响。

研究人员开发的算法考虑到了 β- 内酰胺酶的进化历史，并确定了哪些突变可以改善功能。利用该算法创建了 β- 内酰胺酶的计算设计版本，不仅利用了 β- 内酰胺酶的一级序列，还利用了有关蛋白质结构和功能特性的信息，以预测突变对修饰蛋白质的三维结构和功能的影响。

新算法的核心是评分函数，后者利用来自许多不同生物体的数千个 β- 内酰胺酶序列。与少数随机变化不同，在 280 个序列中生成了多达 84 个突变，以提高功能性能。

图 | β-内酰胺酶变体设计过程（来源：上述论文）

团队将合成设计好的酶插入大肠杆菌中，以测试其功能性、稳定性、热敏性和 3D 结构。在 14 种计算机设计的蛋白质变体中，有 11 种经实验证明具有功能性，能够使细菌在氨苄青霉素上生长并水解头孢硝唑；并且，新设计的酶在高温下活性和稳定性均有所提高。

此外，使用 X 射线晶体学检查酶的 3D 结构表明，经过修饰的酶具有与野生型 β- 内酰胺酶几乎相同的结构。3D 图显示，尽管 30% 的氨基酸发生了变化，但该酶的结构与野生型 β- 内酰胺酶完全相同。它还揭示了同时引入的氨基酸的协调变化如何有效地稳定 3D 结构——与通常会损害酶结构的单个变化形成鲜明对比。

（来源：上述论文）

总而言之，这项研究强调了进化模型在指导大序列改变以产生蛋白质设计应用的功能多样性方面的有效性。在保留功能的同时修饰酶或蛋白质一直是一项重大挑战。通常，对酶的一级结构的多次突变或修饰会对所得酶的三维结构和功能产生重大且破坏性的影响。利用已知信息并预测设计蛋白质的结构和功能的新方法对于有效推进蛋白质修饰研究是必不可少的。

作者预计，这种利用自然多样性来设计稳定性和活性的设计策略可广泛应用于一系列蛋白质家族。

但作者也指出，来自许多不同生物体的 β- 内酰胺酶有数千个序列，其他酶可能有较少的序列；另一个挑战是开发酶性能的快速检测方法。虽然该算法预测性能会提高，但在将资源用于新变体之前必须通过实验证明这一点。

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