聚酯水解酶PETase的机理和进化改造的理论研究
批准号:
22073040
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
周燕子
依托单位:
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
周燕子
中文摘要
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的广泛使用引起了严重的环境问题,使用生物酶法降解PET为单体分子,再回收利用是处理PET废弃物最理想的方法。新近发现的一种聚酯水解酶PETase是迄今为止在温和条件下PET降解活性最高的酶,但其活性和热稳定性还需进一步提高以达到工业化的要求。本项目拟采用量子力学/分子力学动力学模拟(QM/MM-MD)方法在PETase催化水解PET的机理和PETase的进化改造方面展开一系列的理论研究工作。首先将结合神经网络算法提高QM/MM-MD的计算效率,在分子级别研究酶与PET的结合模式和反应机理。本项目还将发展酶活性设计方案,利用机器学习,建立突变与活性关系用于构建突变体库,筛选高活性、高稳定性的突变体,为实验提供可靠的理论依据,缩减实验的规模。本项目的研究成果和手段可进一步应用于水解其它芳香族聚酯,以补救塑料在自然界中积累的环境危害。
英文摘要
Widespread utilization of polyethylene terephthalate (PET) has caused serious environmental problems. It’s a promising solution to enzymatically degrade PET polymer into monomers and recycle it. Although the newly discovered polyester hydrolase enzyme, PETase, has the highest PET degradation activity under mild conditions of all PET-degrading enzymes reported to date, its activity and thermal stability need to be further improved to meet the requirements of industrialization. In this project, we’ll employ the quantum mechanics/molecular mechanics dynamics simulation (QM/MM-MD) method to carry out a series of theoretical research work on the mechanism of PET hydrolysis catalyzed by PETase and the evolution of PETase. Firstly, under the combination of the QM/MM-MD and neural network method, the binding mode of PET with PETase and reaction mechanism of hydrolysis will be studied on the molecular level. Furthermore, this project will develop an enzyme activity design strategy, build the mutant library through the relationship between mutation and activity using machine learning, and screen PETase mutants with high activity and thermal stability. Our project can provide a reliable theoretical basis for the experiment, and help to reduce the scale of it. Moreover, our research results and methods can be further applied to hydrolyze other aromatic polyesters to remedy their environmental hazards accumulated in nature.
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的广泛使用引起了严峻的环境问题,利用生物酶降解PET为单体分子,再回收利用是处理PET废弃物最理想的方法之一。近几年发现的一种聚酯水解酶PETase是迄今为止在温和条件下PET降解活性最高的酶,但其活性还需进一步提高以达到工业化的要求。本项目在PETase催化水解PET的机理和PETase的进化改造以及理论计算方法的发展方面展开了一系列的理论研究工作。. 首先通过分子对接、分子动力学模拟对PET低聚物(链长2~8)与PETase的结合模式进行了研究。PETase表面凹槽内有两个结合位点,共可结合四个PET单元,在表面凹槽内成“W”型,Trp156可通过π–π相互作用稳定水中的两个PET单元。通过结合自由能计算和残基能量分解分析,得到了热点残基及其对结合能的贡献,最终发现可用7PET为代表来研究PET聚合物与PETase的结合模式。采用QM/MM-MD方法对PETase水解不同链长PET的机理进行了研究。发现PETase水解PET的反应分为酰化和脱酰化两个过程,两个反应都存在一个亚稳态的中间体,而脱酰化反应是决速步骤。通过分析活性位点的结构,阐明了PET尺寸对解聚活性的影响,这使我们能够建立起结构特征与活化能垒之间的关系。发现将Asp89和Asp157突变为带正电荷的残基有望降低限速步骤的能垒。这项工作不仅为PETase催化机制提供了有价值的见解,也为PETase的合理酶工程策略奠定了基础。. QM/MM-MD计算比较昂贵,难以承担大量突变体的反应速率的计算工作。我们发展了QM/MM框架下的神经网络算法wTP ME-EANN与wTP ME-REANN,用于构建QM部分的势能面;编写了相关动力学程序在神经网络势能面上进行动力学模拟,可提高QM/MM-MD速率几十倍。目前已成功将该方法运用于水溶液与酶催化中的反应。该方法的优点在于QM部分势能面的独立性,可适用于不同的MM环境,这在研究酶突变体的反应中非常方便,只需构建一次QM势能面,即可适用于不同的突变体。神经网络算法与QM/MM-MD模拟有机结合可用于建立突变体与酶活性的构效关系,以及突变库的构建和筛选,为提高PETase的活性提供理论基础。
阿司匹林及其衍生物抑制环氧合酶的机理的理论研究
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批准号:21203090
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2012
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负责人:周燕子
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依托单位:
国内基金
海外基金