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倍半萜环化酶(ATAS和TEAS)催化机制研究及其蛋白活性重设计
结题报告
批准号:
21773313
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
巫瑞波
依托单位:
学科分类:
B0302.化学模拟与应用
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
王凯、陈少锐、王永恒、周经纬、张帆、郑雪萍、程春艳
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中文摘要
在丰富萜类天然产物的化学多样性方面,生物合成相比传统的化学合成有诸多优势,但生物合成的成功应用还受限于随机性大、重现率低的缺陷,这主要是因为对萜类生源途径中相关酶催化机理的认识不够透彻。本项目拟将“机制-设计-合成”串联成一线来提高其成功率。以结构-功能相近的倍半萜环化酶ATAS和TEAS为研究对象,借助DFT/MM MD模拟,基于前期工作(Angew Chem和ACS Catal等),继续深入阐明ATAS具有酶催化专一性(fidelity)而TEAS却呈现出催化杂泛性(promiscuity)的分子机制,揭示调控酶催化主副反应化学选择性的热动力学因素和关键残基,并通过酶突变实验加以验证。结合多尺度模拟及生物信息学方法,开展蛋白活性重设计,初步构建基于廉价工程菌的生物合成方案,力争获得若干个骨架特殊且有潜在药效的稠环倍半萜分子,为丰富倍半萜稠环骨架的化学多样性提供新策略。
英文摘要
Compared with chemical synthesis, the biosynthesis has been recognized as a more effective way to enhance the chemical diversity of terpenoid natural products. However, the successful application of synthetic biology is still limited by the big-randomicity and low-reproducibility, which highly depends on the exactly understanding of the biosynthetic machinery. Herein, "Mechanism-Design-Synthesis" would be integrated to enhance its success rate in this project. First, by DFT/MM MD simulations, we will elucidate the enzymatic catalysis fidelity/promiscuity of ATAS and TEAS which both belong to the Sesquiterpene Cyclase. Then computationally reveal the thermodynamical, kinetical and structural controllers on the chemical selectivity, and further proved by enzyme mutagenesis experiments. Finally, combined with multi-scale modeling and bioinformatics prediction, we will rationally redesign the enzymatic activity based on the enzyme catalysis mechanistic insights, and construct an efficient and low-cost engineering bacteria to biosynthesize the fused-ring sesquiterpene products with special skeleton and potential drug efficacy, as well as to expand the chemical space by trying to make novel fused-ring products.
基于QM/MM MD计算模拟和实验验证全面揭示了分别来自烟草和土曲霉的两个倍半萜环化酶(TEAS和ATAS)的催化机制,阐明了二者催化杂泛性和专一性的关键调控因子,并进一步总结归纳了倍半萜类环化酶催化的三个关键调控因素: 底物折叠模式、中间体柔性,以及提供与酶反应直接相关的关键残基。在蛋白活性改造方面,TEAS中的突变改造获得了生成大环大根香叶烯倍半萜产物的突变体酶。将此设计理论应用于鸢尾三萜环化酶ItOSCs中,发现Y531F突变体能够减少β-Amyrin生成,增加主产物α-Amyrin的占比(93%),实现了目标产物分子的产率提升。同样应用该设计理论于倍半萜环化酶SaSSy/SanSyn中,理论计算揭示发现F441V突变体潜在的调控催化产物选择性的功能,经实验验证实现了4个产物分子中关键产物1和4的比例实现了2:1的优质檀香的比例优化。上述获得的相关突变体酶可用于后续生物合成研究,并且这些工作已经以第一致谢论文的形式发表于Phys.Chem.Chem.Phys. 2018, 20, 15061.;ACS Catal. 2018, 8, 2353.; ACS Catal. 2020, 10, 1470.; ACS Chem. Biol. 2020, 15, 2820.和ACS Catal. 2020, 10, 9515.等。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
An Unexpected Oxidosqualene Cyclase Active Site Architecture in the Iris tectorum Multifunctional α-Amyrin Synthase.
虹膜顶盖中意想不到的氧化角鲨烯环化酶活性位点结构多功能α-香树脂素合酶
DOI:10.1021/acscatal.0c03231
发表时间:2020-08-21
期刊:ACS catalysis
影响因子:12.9
作者:Wu S;Zhang F;Xiong W;Molnár I;Liang J;Ji A;Wang C;Wang S;Liu Z;Wu R;Duan L
通讯作者:Duan L
Enzymatic Plasticity Inspired by the Diterpene Cyclase CotB2
受二萜环化酶 CotB2 启发的酶促可塑性
DOI:10.1021/acschembio.0c00645
发表时间:2020-10-16
期刊:ACS CHEMICAL BIOLOGY
影响因子:4
作者:Tang, Xiaowen;Zhang, Fan;Wu, Ruibo
通讯作者:Wu, Ruibo
AromTool: predicting aromatic stacking energy using an atomic neural network model
AromTool:使用原子神经网络模型预测芳香堆积能量
DOI:10.1039/d1cp01954f
发表时间:2021
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics
影响因子:3.3
作者:He Wengan;Liang Danhong;Wang Kai;Lyu Nan;Diao Hongjuan;Wu Ruibo
通讯作者:Wu Ruibo
Conformational dynamics and allosteric effect modulated by the unique zinc-binding motif in class IIa HDACs
IIa 类 HDAC 中独特的锌结合基序调节构象动力学和变构效应
DOI:10.1039/c9cp02261a
发表时间:2019
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics
影响因子:3.3
作者:Liu Huawei;Zhang Fan;Wang Kai;Tang Xiaowen;Wu Ruibo
通讯作者:Wu Ruibo
TeroKit: A Database-Driven Web Server for Terpenome Research
TeroKit:用于萜烯组研究的数据库驱动的 Web 服务器
DOI:10.1021/acs.jcim.0c00141
发表时间:2020-04-27
期刊:JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING
影响因子:5.6
作者:Zeng, Tao;Liu, Zhihong;Wu, Ruibo
通讯作者:Wu, Ruibo
锌蛋白分子力场的开发与应用
  • 批准号:
    21203257
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    巫瑞波
  • 依托单位:
基于SLEF力场和QM/MM方法的HDAC2选择性抑制剂设计研究
  • 批准号:
    21272289
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    巫瑞波
  • 依托单位:
国内基金
海外基金