催化元件設(shè)計(jì)的國(guó)際前沿進(jìn)展

催化元件是合成生物學(xué)研究中重要的基本生物元件。雖然在人工合成途徑組裝中可以跨物種應(yīng)用天然酶資源來重構(gòu)特定的代謝途徑，但由于自然界的固有催化特征體系，人工合成往往無法滿足合成生物學(xué)的一些特殊要求，如在異源宿主中表達(dá)量低、生理?xiàng)l件不適應(yīng)、上下游酶活性不匹配等。因此，通過對(duì)催化元件的人工設(shè)計(jì)和組裝來提供具有新功能的元件成為人工合成途徑構(gòu)建的基礎(chǔ)。

目前，利用定向進(jìn)化策略提高催化元件活性、穩(wěn)定性等方面已經(jīng)獲得一定成效。但由于突變體文庫(kù)構(gòu)建數(shù)量龐大，并需多輪進(jìn)化，因而定向進(jìn)化策略難以完成對(duì)序列空間的全面搜索。除此之外，突變技術(shù)中固有的密碼子簡(jiǎn)并性和堿基突變傾向性使突變文庫(kù)多樣性受到極大限制。隨著高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展，計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)取得了前所未有的發(fā)展，尤其在核心元件酶催化設(shè)計(jì)方面發(fā)揮出巨大作用。利用計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)可根據(jù)反應(yīng)特性以及底物結(jié)構(gòu)等特定研究，定向改造催化元件，并建立全面搜索高精度智能化文庫(kù)。這極大程度降低了定向進(jìn)化策略龐大突變體文庫(kù)所需的材料成本、時(shí)間成本及人力成本。2016?年，Nature雜志發(fā)表了題為《全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)代來臨》的重要綜述。同年，Science雜志也將蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)遴選為年度十大科技突破之一。2017?年，美國(guó)化學(xué)會(huì)將人工智能設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)列為化學(xué)領(lǐng)域八大科研進(jìn)展之首。通過高精度、高效計(jì)算模擬技術(shù)，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)極大程度擴(kuò)展了人工改造生命體的應(yīng)用場(chǎng)景，為現(xiàn)代生物制造帶來全新發(fā)展機(jī)遇。針對(duì)酶的催化功能特性，目前催化元件的計(jì)算設(shè)計(jì)研究主要涵蓋基于結(jié)構(gòu)的從頭預(yù)測(cè)酶分子及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于催化底物的立體選擇性及位置選擇性設(shè)計(jì)，基于金屬催化特性的金屬酶設(shè)計(jì)，以及基于功能特性的熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

2008?年，華盛頓大學(xué)?Baker?團(tuán)隊(duì)提出從內(nèi)而外的“Inside-out?策略”，并應(yīng)用該策略設(shè)計(jì)改造了逆醛醇縮合酶、Diels-Alder?反應(yīng)催化酶、Kemp?消除催化酶等一系列酶。然而，盡管從頭計(jì)算新酶設(shè)計(jì)已取得一定成功，“Inside-out?策略”依然存在不同層面的缺陷：①策略中的模型——theozyme，不能完全反映酶催化過程的真實(shí)過渡態(tài)；②新酶設(shè)計(jì)需要將催化活性中心與蛋白質(zhì)骨架進(jìn)行嵌合，而嵌合過程難免會(huì)影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；③在計(jì)算過程中并未考慮長(zhǎng)程靜電相互作用及蛋白骨架“誘導(dǎo)-契合”的變構(gòu)影響，經(jīng)過循環(huán)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后獲得的酶分子構(gòu)象非常容易陷入能量勢(shì)阱，在相鄰位置可能存在其他極小值。因此，基于“Inside-out策略”設(shè)計(jì)的少數(shù)具有預(yù)期功能的新酶分子初始活性相對(duì)較低，需要通過進(jìn)一步改造來提高酶學(xué)屬性。

隨著量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)理論及方法學(xué)的發(fā)展，計(jì)算精度不斷提升，計(jì)算尺度逐步擴(kuò)大，相關(guān)算法的通量、靈敏度、選擇性等也有大幅提高。因而，利用量子力學(xué)/分子動(dòng)力學(xué)以及大數(shù)據(jù)分析方法可以快速定位特定功能區(qū)和協(xié)同進(jìn)化位點(diǎn)，為合成生物學(xué)功能器件提供大量精確模板和互作模型。在基于“Inside-out?策略”獲得的新酶基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動(dòng)催化元件活性大幅提升，使酶工程技術(shù)迎來發(fā)展新階段，同時(shí)也為發(fā)展符合工程化需求的生物元件設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)規(guī)律。