中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物與酶工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出酶熱穩(wěn)定性的新見(jiàn)解：“短板”理論和Zero-Shot Hamilton模型

　　近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所微生物與酶工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)布了“酶熱穩(wěn)定性的新見(jiàn)解：”短板“理論和Zero-Shot Hamilton模型”，該項(xiàng)研究進(jìn)展近日以內(nèi)封面論文的形式發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)（Advanced Science）》期刊，題為“Novel Insights into Enzymatic Thermostability: The ”Short Board“ Theory and Zero-Shot Hamiltonian Model”。

 

　　了解天然穩(wěn)定酶的熱穩(wěn)定機(jī)制，提高酶的熱穩(wěn)定性是酶工程研究的重要內(nèi)容。盡管各種工程方法得到了發(fā)展，但仍有很大的改進(jìn)空間。本研究提出了一個(gè)“短板”理論的新概念，該理論將蛋白質(zhì)概念化為木桶，每個(gè)成分代表一個(gè)長(zhǎng)短不一的板，木桶的最短板是限制酶的熱穩(wěn)定提升的限制因素。為了驗(yàn)證這一理論，利用具有多個(gè)結(jié)構(gòu)域的重要工業(yè)酶種α-淀粉酶作為模型酶。利用結(jié)構(gòu)域置換的方法在結(jié)構(gòu)域、殘基和原子水平上證實(shí)了“短板”的存在及其對(duì)熱穩(wěn)定性改善的影響。在此基礎(chǔ)上，以α-淀粉酶為對(duì)象，建立了一種新的熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)模型——Zero-Shot hamilton （ZSH）。這種基于熱穩(wěn)定性和深度學(xué)習(xí)的協(xié)同進(jìn)化方法僅在應(yīng)用于具有固定短板的酶時(shí)表現(xiàn)出顯著的成功。“短板”理論與ZSH模型的整合提出了一種提高酶熱穩(wěn)定性的創(chuàng)新工具。

 

　　研究首先提出了蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性“短板理論”，以中溫α-淀粉酶（mesoAMY）為模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)域替換實(shí)驗(yàn)，得到了 T m值提升12 °C的替換了B結(jié)構(gòu)域的嵌合酶（meso-AMY-B），證實(shí)了B結(jié)構(gòu)域是α-淀粉酶的熱穩(wěn)定性的最“短板”。在解決了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性“短板”后，建立了一種有效的工具——ZSH模型來(lái)表征蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性。模型主要關(guān)注雙點(diǎn)突變帶來(lái)的熱穩(wěn)定性改變，并通過(guò)在Meso-AMY-B上進(jìn)行定點(diǎn)誘變實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了約70%的成功率，最優(yōu)突變體F237R/S240G的 T m值提高了8.5 °C。通過(guò)在未修復(fù)的模型酶mesoAMY上進(jìn)行了相同的突變，在mesoAMY-B上顯著提升的特異性突變?cè)趍esoAMY中并沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響，進(jìn)一步證實(shí)了“短板”修復(fù)對(duì)蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)、殘基相互作用及ZSH模型中預(yù)測(cè)的接觸圖譜的相關(guān)性分析，闡明了mesoAMY熱穩(wěn)定性提升的潛在機(jī)制，并進(jìn)一步證實(shí)了ZSH設(shè)計(jì)策略的顯著效果。

 

　　綜上，研究人員通過(guò)提出一種增強(qiáng)酶熱穩(wěn)定性的 Zero-Shot 方法，闡明了“短板”在蛋白質(zhì)工程中的關(guān)鍵作用，從而有可能將其應(yīng)用擴(kuò)展到各種生物技術(shù)領(lǐng)域。在兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間觀察到的明顯差異強(qiáng)調(diào)了 “短板” 在調(diào)節(jié)酶熱穩(wěn)定性方面的關(guān)鍵作用。這種差異可歸因于“短板”區(qū)域的固有傾向在蛋白質(zhì)變性過(guò)程中展開(kāi)，導(dǎo)致整個(gè)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。與上位性和遠(yuǎn)程相互作用不同，“短板”對(duì)熱穩(wěn)定性的影響是可預(yù)測(cè)的，通常會(huì)導(dǎo)致有利的突變。然而，完全理解后一種因素如何共同影響熱穩(wěn)定性仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所的涂濤研究員和杭州力文所生物科技有限公司的王浩博博士為該文章的共同通訊作者，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所的廖敏博士和昌平實(shí)驗(yàn)室的馮世豪博士為該文章的共同第一作者。該研究得到了國(guó)家國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

 

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　　https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402441