催化元件設(shè)計(jì)的國際前沿進(jìn)展

催化元件是合成生物學(xué)研究中重要的基本生物元件。雖然在人工合成途徑組裝中可以跨物種應(yīng)用天然酶資源來重構(gòu)特定的代謝途徑，但由于自然界的固有催化特征體系，人工合成往往無法滿足合成生物學(xué)的一些特殊要求，如在異源宿主中表達(dá)量低、生理?xiàng)l件不適應(yīng)、上下游酶活性不匹配等。因此，通過對催化元件的人工設(shè)計(jì)和組裝來提供具有新功能的元件成為人工合成途徑構(gòu)建的基礎(chǔ)。

目前，利用定向進(jìn)化策略提高催化元件活性、穩(wěn)定性等方面已經(jīng)獲得一定成效。但由于突變體文庫構(gòu)建數(shù)量龐大，并需多輪進(jìn)化，因而定向進(jìn)化策略難以完成對序列空間的全面搜索。除此之外，突變技術(shù)中固有的密碼子簡并性和堿基突變傾向性使突變文庫多樣性受到極大限制。隨著高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展，計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)取得了前所未有的發(fā)展，尤其在核心元件酶催化設(shè)計(jì)方面發(fā)揮出巨大作用。利用計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)可根據(jù)反應(yīng)特性以及底物結(jié)構(gòu)等特定研究，定向改造催化元件，并建立全面搜索高精度智能化文庫。這極大程度降低了定向進(jìn)化策略龐大突變體文庫所需的材料成本、時(shí)間成本及人力成本。2016?年，Nature雜志發(fā)表了題為《全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)代來臨》的重要綜述。同年，Science雜志也將蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)遴選為年度十大科技突破之一。2017?年，美國化學(xué)會將人工智能設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)列為化學(xué)領(lǐng)域八大科研進(jìn)展之首。通過高精度、高效計(jì)算模擬技術(shù)，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)極大程度擴(kuò)展了人工改造生命體的應(yīng)用場景，為現(xiàn)代生物制造帶來全新發(fā)展機(jī)遇。針對酶的催化功能特性，目前催化元件的計(jì)算設(shè)計(jì)研究主要涵蓋基于結(jié)構(gòu)的從頭預(yù)測酶分子及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于催化底物的立體選擇性及位置選擇性設(shè)計(jì)，基于金屬催化特性的金屬酶設(shè)計(jì)，以及基于功能特性的熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

2008?年，華盛頓大學(xué)?Baker?團(tuán)隊(duì)提出從內(nèi)而外的“Inside-out?策略”，并應(yīng)用該策略設(shè)計(jì)改造了逆醛醇縮合酶、Diels-Alder?反應(yīng)催化酶、Kemp?消除催化酶等一系列酶。然而，盡管從頭計(jì)算新酶設(shè)計(jì)已取得一定成功，“Inside-out?策略”依然存在不同層面的缺陷：①策略中的模型——theozyme，不能完全反映酶催化過程的真實(shí)過渡態(tài)；②新酶設(shè)計(jì)需要將催化活性中心與蛋白質(zhì)骨架進(jìn)行嵌合，而嵌合過程難免會影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；③在計(jì)算過程中并未考慮長程靜電相互作用及蛋白骨架“誘導(dǎo)-契合”的變構(gòu)影響，經(jīng)過循環(huán)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后獲得的酶分子構(gòu)象非常容易陷入能量勢阱，在相鄰位置可能存在其他極小值。因此，基于“Inside-out策略”設(shè)計(jì)的少數(shù)具有預(yù)期功能的新酶分子初始活性相對較低，需要通過進(jìn)一步改造來提高酶學(xué)屬性。

隨著量子力學(xué)和分子動力學(xué)理論及方法學(xué)的發(fā)展，計(jì)算精度不斷提升，計(jì)算尺度逐步擴(kuò)大，相關(guān)算法的通量、靈敏度、選擇性等也有大幅提高。因而，利用量子力學(xué)/分子動力學(xué)以及大數(shù)據(jù)分析方法可以快速定位特定功能區(qū)和協(xié)同進(jìn)化位點(diǎn)，為合成生物學(xué)功能器件提供大量精確模板和互作模型。在基于“Inside-out?策略”獲得的新酶基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動催化元件活性大幅提升，使酶工程技術(shù)迎來發(fā)展新階段，同時(shí)也為發(fā)展符合工程化需求的生物元件設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)規(guī)律。