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大家好，今天分享一篇2018年12月14日由苏黎世大学化生系Donald Hilvert教授与北卡罗来纳大学Brian Kuhlman教授合作发表在Science上的文章，题为“Evolution of a highly active andenantiospecific metalloenzyme from short peptides”。 现阶段蛋白质的原始序列特征能够追溯到早期一些简单的多肽。尽管短肽很难有一个特定的构象，但是在早期的进化过程中人们发现，金属离子介导的短肽组装成的高级结构往往能够被赋予一些化学反应性。通过对这种进化过程进行模拟，蛋白质设计领域的研究者们可以用金属离子调节具有弱相互作用肽的作用界面从而构建具有一定功能性的超分子结构。 为了更好的探求金属蛋白的生物起源，文章选取MID1（界面上具有两个Zn离子结合位点的同源二聚体结构）这一小肽作为研究模体，如图1A所示。单体是由计算设计获得，通过两个Zn离子调控单体的组装过程，用GSG linker连接两个单体的N端和C端并移除一个参与配位的Zn离子从而获得MID1sc蛋白，该结构能够水解对硝基苯乙酸酯。
图1: 从多肽模拟金属酶的起源过程 在此结构基础上，为了进一步提高水解酶的催化效率，作者通过定点突变的方式对Zn离子结合位点附近的氨基酸残基进行优化，结合对全长蛋白的随机突变进一步优化催化位点远端的氨基酸残基，详细优化过程如图1B所示。基于这一策略经过9轮优化，最终获得能够特异性且具有较好的对映体催化选择性的酯酶，并对该酶的晶体结构及底物和酶的复合物的晶体结构进行解析，如图2所示。经过进化后的酶水解效率提高了70000倍，对映体的选择性也较之前提高了2200倍。
图1: 酶活测定及结构表征 ——小结—— 这篇文章再次说明了进化过程在蛋白设计领域的重要性。在过去，计算设计蛋白酶的策略主要是通过将天然酶催化口袋附近的氨基酸残基嫁接到指定骨架上并对其进行进一步优化。 这种方法往往需要对反应路径，反应过程的中间体有较为清楚的认识，而通过引入金属离子作为催化活性中心设计酯酶的例子则能够很好的规避这一要求。在本文中，通过调节参与配位的螺旋折叠活动范围则能够有效的提高调控酶的催化效率和选择性。 参考文献： Sabine Studer, Douglas A. Hansen. "Evolutionof a Highly Active and Enantiospecific Metalloenzyme from Short Peptides." Science 362 (2018): 1285. DOI: 10.1126/science.aau3744 作者：李烆一 编辑：王世伟 GoDesign ID：Molecular_Design_Lab
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