《Biotechnology Advances》(IF: 14.227)综述|计算机辅助理解和改造酶选择性

酶具有化学选择性、区域选择性和立体选择性，因而能够实现手性分子的不对称合成。然而，天然存在的酶通常表现出低活性或低选择性，这阻碍了其工业化应用。为了满足高价值手性化合物的巨大需求，生物化学家通过一系列计算方法和策略拓展了人工酶库（图1）。对此，江南大学酿造微生物学与应用酶学研究团队基于不对称酶催化的整个循环过程，综述了计算机辅助理解和改造酶选择性的相关内容，重点阐述了计算机辅助理解酶选择性机理的进展以及总结了基于结构的计算辅助的酶选择性改造策略。

图1 计算辅助改造酶催化功能。

1 QM计算用于揭示酶选择性的机制

高性能计算机和高精度QM方法的发展使得能够在计算机中分析反应途径和过渡态结构，从而可以直观地观察特定的化学反应。对于仅有微小能量差异的不对称酶催化，已经开发出QM计算策略用于揭示酶选择性的起源。目前，研究酶选择性最常用的QM计算方法主要有两种：混合量子力学/分子力学方法（QM/MM）、量子化学团簇方法（QM-Cluster）。

图2 用于酶催化体系的QM计算方法

2酶-配体相互作用指导酶选择性改造

1）基于活性口袋的改造策略

酶在活性口袋中精准催化特定的化学反应，其中关键残基与底物之间复杂而精确的相互作用网络是在环境友好条件下支持反应的分子基础。受酶-配体相互作用的启发，已经发表了许多由计算辅助改造策略产生的成功案例。这些改造策略可以归纳为以下三个主要的稳健策略（图3）。策略一：活性口袋内的关键残基突变；策略二：活性口袋的重塑；策略三：活性口袋的重新设计。

图3 基于活性口袋的改造策略

2）基于机制的酶-配体相互作用的从头酶设计

随着制药、化工等行业对高附加值化学品的需求不断增加，仍然需要人工定制具有不同催化功能的酶来应对具有挑战性的化学反应，甚至是非天然反应。针对这一挑战，"inside-out"酶从头设计方法被提出并成功应用于具有立体选择性的Diels-Alder酶的从头设计。通常，该从头设计方案可分为如图4中的四个步骤。

图4 酶的从头设计

3基于酶通道改造调整酶选择性

酶催化的整个循环过程包括发生在活性中心的化学步骤以及发生在酶通道的物理步骤。当前改造策略主要集中在发生化学反应的活性中心，然而酶通道作为实现物质运输的结构基础，同样对酶效率和选择性具有明显影响。基于上述事实，改造酶通道以调整酶选择性是一种有效的策略（图5）。比如，调整酶通道中残基的侧链尺寸以接受大位阻的手性底物，从而增强对高附加值的手性底物的酶催化选择性；或者重塑酶通道中关键残基的空间排布以控制手性底物进入活性中心的pro-S/R取向，最终调节甚至反转酶催化的选择性。

图5 酶通道改造

最后，针对计算机辅助设计酶促选择性的定量评估标准这一难点，提出了两个解决方向：

1）：预测手性酶的结构和序列之间的映射，并基于该映射，表征支持不对称催化的酶结构信息。

2）：考虑酶的能量学，尝试定量表征S/R途径偏好与其在不对称催化过程中的能量之间的联系。

本项工作得到国家自然科学基金（21676120、31872891）、国家轻工技术与工程一流学科自主课题（LITE2018-09）等项目的联合资助。相关成果以“Computer-aided understanding and engineering of enzymatic selectivity”为题发表在《Biotechnology Advances》上。研究室聂尧教授和徐岩教授为共同通讯作者，2019级博士研究生伍伦杰为论文第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2021.107793