课题基金 / 基金详情

发展参考势方法框架下的自由能计算方法辅助人工酶设计

批准号:
22073030
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
梅晔
依托单位:
学科分类:
化学模拟与应用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
梅晔

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
现阶段,理论和计算化学手段在酶的定向进化和从头设计中所能扮演的角色非常有限。其主要的障碍在于计算机模拟研究酶反应机理需要大量的结构采样,因此非常耗时。参考势方法可以在保持从头算量子化学方法精度的前提下显著降低计算量。本项目旨在进一步发展参考势方法,使其能够解决酶设计过程中的一些具体的问题,包括残基突变导致的酶催化能力改变的快速预测、力匹配和机器学习优化参考势的哈密顿提升参考势方法的收敛速度、反应活性区域随反应进行发生动态变化、酶反应中的核量子效应等,并最终将参考势方法用于Kemp eliminase和Diels-Alderase的研究,为这两类酶的进化设计提供指导。
英文摘要
Currently, theoretical and computational chemistry can only play a very limited role in directed enzyme evolution and de novo design of new enzymes. The main hindrance is the formidable computational expense in large-scale samplings of configurations in phase space in order to confidently unveil the reaction mechanism. The reference-potential method can ameliorate this difficulty by significantly reduce the cost while maintaining the accuracy on ab initio levels. In this project, we aim at further improving this method and making it more suitable for solving practical issues in enzymatic design, including quick prediction of the alternation in catalytic efficiency caused by mutations, accelerating convergence by optimizing reference potential using force matching and machine learning, adaptive active region, and nuclear quantum tunneling effect in enzymatic reactions. Finally, we will apply the reference-potential method to the study of Kemp eliminase and Diels-Alderase, and provide valuable guidance for the artificial evolution of these two enzymes.
现阶段,理论和计算化学手段在酶的定向进化和从头设计中所能扮演的角色非常有限。其主要的障碍在于计算机模拟研究酶反应机理需要大量的结构采样,因此非常耗时。参考势方法可以在保持从头算量子化学方法精度的前提下显著降低计算量。本项目旨在进一步发展参考势方法,使其能够解决酶设计过程中的一些具体的问题,包括残基突变导致的酶催化能力改变的快速预测、力匹配和机器学习优化参考势的哈密顿提升参考势方法的收敛速度、反应活性区域随反应进行发生动态变化、酶反应中的核量子效应等,并最终将参考势方法用于Kemp eliminase和Diels-Alderase的研究,为这两类酶的进化设计提供指导。按照既定的研究路线,课题组完成了参考势方法的拓展,发展了一套基于covariance矩阵的方法寻找有效突变的方法,并在两个酶体系上做了验证;在力匹配方法用于参数的拟合的工作基础上,将人工智能用于参考势方法,提高参考势方法的精度;研究了蛋白对二价离子的Mg2+和Ca2+的选择性的机理的研究;发展出针对 adaptive QM/MM 区域的参考相互作用势方法;发展出针对路径积分动力学模拟的参考势方法;发展评价参考势方法中热力学微扰计算可靠性的方法;Kemp eliminase 和 Diels-Alderase 活性机理的研究在进行中。
增强QM/MM自由能计算效率和精度的方法发展
  • 批准号:
    21773066
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    梅晔
  • 依托单位:
生物大分子结合水的理论研究
  • 批准号:
    21173082
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    梅晔
  • 依托单位:
蛋白质专一性极化力场在蛋白质药物相互作用研究中的应用
  • 批准号:
    20803034
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    梅晔
  • 依托单位:
国内基金
海外基金