符合工程化需求的生物元件設計

催化元件設計的國際前沿進展

催化元件是合成生物學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用天然酶資源來重構特定的代謝途徑，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的一些特殊要求，如在異源宿主中表達量低、生理條件不適應、上下游酶活性不匹配等。因此，通過對催化元件的人工設計和組裝來提供具有新功能的元件成為人工合成途徑構建的基礎。

目前，利用定向進化策略提高催化元件活性、穩定性等方面已經獲得一定成效。但由于突變體文庫構建數量龐大，并需多輪進化，因而定向進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。隨著高性能計算技術發展，計算蛋白質設計技術取得了前所未有的發展，尤其在核心元件酶催化設計方面發揮出巨大作用。利用計算蛋白質設計可根據反應特性以及底物結構等特定研究，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化策略龐大突變體文庫所需的材料成本、時間成本及人力成本。2016?年，Nature雜志發表了題為《全新蛋白質設計時代來臨》的重要綜述。同年，Science雜志也將蛋白質計算機設計遴選為年度十大科技突破之一。2017?年，美國化學會將人工智能設計新型蛋白質結構列為化學領域八大科研進展之首。通過高精度、高效計算模擬技術，蛋白質分子結構、功能設計極大程度擴展了人工改造生命體的應用場景，為現代生物制造帶來全新發展機遇。針對酶的催化功能特性，目前催化元件的計算設計研究主要涵蓋基于結構的從頭預測酶分子及后續優化設計，基于催化底物的立體選擇性及位置選擇性設計，基于金屬催化特性的金屬酶設計，以及基于功能特性的熱穩定性設計等領域。

2008?年，華盛頓大學?Baker?團隊提出從內而外的“Inside-out?策略”，并應用該策略設計改造了逆醛醇縮合酶、Diels-Alder?反應催化酶、Kemp?消除催化酶等一系列酶。然而，盡管從頭計算新酶設計已取得一定成功，“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過渡態；②新酶設計需要將催化活性中心與蛋白質骨架進行嵌合，而嵌合過程難免會影響蛋白質的結構和穩定性；③在計算過程中并未考慮長程靜電相互作用及蛋白骨架“誘導-契合”的變構影響，經過循環設計和結構優化后獲得的酶分子構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”設計的少數具有預期功能的新酶分子初始活性相對較低，需要通過進一步改造來提高酶學屬性。

隨著量子力學和分子動力學理論及方法學的發展，計算精度不斷提升，計算尺度逐步擴大，相關算法的通量、靈敏度、選擇性等也有大幅提高。因而，利用量子力學/分子動力學以及大數據分析方法可以快速定位特定功能區和協同進化位點，為合成生物學功能器件提供大量精確模板和互作模型。在基于“Inside-out?策略”獲得的新酶基礎上進一步推動催化元件活性大幅提升，使酶工程技術迎來發展新階段，同時也為發展符合工程化需求的生物元件設計提供指導規律。