Designed active-site library reveals thousands of functional GFP variants.
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DOI：
10.1038/s41467-023-38099-z
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发表时间：
2023-05-20
影响因子：
16.6
通讯作者：
Fleishman, Sarel J.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Weinstein, Jonathan Yaacov;Marti-Gomez, Carlos;Lipsh-Sokolik, Rosalie;Hoch, Shlomo Yakir;Liebermann, Demian;Nevo, Reinat;Weissman, Haim;Petrovich-Kopitman, Ekaterina;Margulies, David;Ivankov, Dmitry;McCandlish, David M.;Fleishman, Sarel J.
蛋白质活性位点的突变可以导致蛋白质活性的显著和有用的变化。然而，由于高密度的分子相互作用，活性部位对突变很敏感，大大降低了获得功能性多点突变的可能性。我们引入了一种基于原子和机器学习的方法，称为高通量功能库(HtFuncLib)，它设计了一个序列空间，在其中突变形成低能量组合，以降低不兼容相互作用的风险。我们将htFuncLib应用于GFP发色团结合口袋，并使用荧光读数恢复>；16,000个独特的设计，编码多达8个活性部位突变。许多设计在功能热稳定性(高达96°C)、荧光寿命和量子产率方面表现出了实质性和有用的多样性。通过消除不相容的活性部位突变，htFuncLib产生了大量多样化的功能序列。我们设想htFuncLib将用于酶、结合剂和其他蛋白质的一次活性优化。蛋白质活性部位的突变可以以有用的方式改变功能，但活性部位对变化很敏感。在这里，作者提出了一种设计组合突变文库的一般策略。应用于GFP，作者分离出数千种荧光设计，这些设计展示了光谱特性的重大和有用的变化。
Mutations in a protein active site can lead to dramatic and useful changes in protein activity. The active site, however, is sensitive to mutations due to a high density of molecular interactions, substantially reducing the likelihood of obtaining functional multipoint mutants. We introduce an atomistic and machine-learning-based approach, called high-throughput Functional Libraries (htFuncLib), that designs a sequence space in which mutations form low-energy combinations that mitigate the risk of incompatible interactions. We apply htFuncLib to the GFP chromophore-binding pocket, and, using fluorescence readout, recover >16,000 unique designs encoding as many as eight active-site mutations. Many designs exhibit substantial and useful diversity in functional thermostability (up to 96 °C), fluorescence lifetime, and quantum yield. By eliminating incompatible active-site mutations, htFuncLib generates a large diversity of functional sequences. We envision that htFuncLib will be used in one-shot optimization of activity in enzymes, binders, and other proteins. Mutations in a protein active site can alter function in useful ways, but the active site is sensitive to changes. Here the authors present a general strategy to design combinatorial mutation libraries. Applied to GFP, the authors isolate thousands of fluorescent designs that exhibit large and useful changes in spectral properties.
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