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聚焦铰链结构的酶构象动力学研究与理性改造

批准号:
22108317
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
尹新坚
依托单位:
学科分类:
生物化工与合成生物工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
尹新坚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
构象动力学改造是增强酶蛋白催化性能或使酶进化获得新催化功能的前沿技术。但是,由于发展时间较短,尚缺乏合适、明确的改造热点,极大限制了其广泛应用。前期研究表明,“铰链弯曲运动”酶的铰链结构是一个极具潜力的构象动力学改造热点。如能建立聚焦铰链结构的构象动力学理性改造策略,有助于开发催化性能更强的酶蛋白,并且能丰富酶结构-构象-功能关系的理论内涵,具有重要的现实意义与学术价值。然而,铰链结构变化影响酶构象动力学与催化活力的分子机制尚未解析,针对铰链进行理性设计以精准调控酶构象动力学的具体方法也有待建立。本项目将以氨基酸脱氢酶作为模型蛋白,借助铰链聚焦定向进化、分子动力学模拟等手段系统考察铰链结构变化影响酶构象动力学与催化活力的方式及潜在规律;进一步探索通过铰链结构理性改造调控酶构象动力学、定向提高酶蛋白催化活力,建立铰链聚焦的构象动力学理性改造策略,为高性能酶催化剂的构建提供新思路和新方法。
英文摘要
Conformational dynamic engineering is a cutting-edge technology for enhancing the catalytic performance of enzymes or evolving enzymes to obtain new catalytic functions. However, due to the short development time, there is still a lack of suitable and well-studied hot spots for conformational dynamic engineering, which greatly limits its extensive application. The previous research has shown that the hinge structure of hinge-bending enzymes represents a potential hotspot for conformational dynamic engineering. Establishing the hinge-focused rational conformational dynamics engineering strategy would aid the development of high-performance biocatalysts, and enhance our understanding of structure-conformation-function relationships of enzymes, thus has both practical and scientific value. However, the molecular mechanism of how hinge structure mutation affecting enzyme conformational dynamics and catalytic activity has not yet been resolved, and specific protocols for rational design the hinge structure to precisely modulate enzyme conformational dynamics has not been established. In our proposal, using amino acid dehydrogenases (AADHs) as a model, we will apply hinge-focused directed evolution, molecular dynamics simulation and other methods to systematically investigate how hinge structure changes affecting enzymes’ conformational dynamics and catalytic function. Next, we would design the hinge structure rationally to tune enzymes’ conformational dynamics to improve their catalytic activity, and then establish the hinge-focused rational conformational dynamics engineering strategy, providing new insights and new methods for the high-performance enzymes engineering.
酶改造是创造理想酶催化剂的重要工具。开发聚焦酶铰链区域及活性中心的酶改造新策略,不仅有助于构建催化性能更强的酶蛋白,而且能够丰富酶结构-功能关系理论内涵,具有重大的现实意义与学术价值。本项目以氨基酸脱氢酶为模型蛋白,开展了以下研究工作:1)采用宏基因组探矿技术从中国云南热泉中挖掘获得了两个新型缬氨酸脱氢酶,丰富了非天然氨基酸合成酶工具库,也为聚焦铰链结构与活性中心的改造新策略开发提供了更多的酶元件;2)开发了针对谷氨酸脱氢酶的铰链区域与活性中心组合改造策略,将其对目标底物-苯乙醛酸的催化效率提高近103倍,成功将其转变为工程化NADPH-依赖型苯甘氨酸脱氢酶,实现基于铰链结构设计的酶活改造策略的工具化应用;3)针对胺脱氢酶(缬氨酸脱氢酶突变体)建立了系统发育分析指导的双密码饱和突变策略,实现针对不同底物的特异性进化,获得对不同类型(S)-β-氨基醇均具有较高氧化脱氨活力的β-氨基醇脱氢酶;4)针对D-氨基酸脱氢酶提出了Rosetta驱动的快速进化策略,实现D-氨基酸脱氢酶底物特异性的高效、低成本改造,显著提高其对难催化底物-苯乙醛酸的还原胺化活力。这些策略的建立为开发具有高催化活力和宽底物谱的氨基酸脱氢酶/胺脱氢酶提供了高效的改造新方法,也为生物催化剂精准设计和强化提供了新思路。
海洋微生物来源氨基酸脱氢酶的挖掘与多元化改造
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    尹新坚
  • 依托单位:
国内基金
海外基金