酶工程是增强生物催化性能并优化基于蛋白质的材料的强大方法。本研究采用祖先序列重建(ASR),合理设计和过程条件优化,以提高酶稳定性,催化效率和功能特性。探索了四个关键领域:用于手性胺合成,酶促酰胺键的形成,Baeyer-Villiger氧化选择性控制和基于蛋白质的含水材料的跨激酶工程。 为了增强来自硅杆菌pomeroyi(SP -ATA)的ω-转氨酸酶的热稳定性和底物范围,使用ASR来识别稳定突变,从而提高其工业适合性。 为酰胺键的形成,有理设计优化了铜绿假单胞菌N-酰基转移酶(PA AT),并与氯瓜羧酸还原酶还原酶(CAR SR -A)的蛋白质rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus的腺苷酸化结构域相结合。 工程的Y72S/F206N变体显着提高了与药物相关的羧酸的转化率,为化学合成提供了可持续的替代品。 在Baeyer-Villiger氧化中,研究了过程优化以控制区域选择性。 从杆菌和节肢动物物种中工程的Baeyer-Villiger单加氧酶(BVMO)通过增加氧气的可用性,将产品分布转移到了“正常”的内酯。 用于基于蛋白质的吸水材料,patatin诱变改变了带电的氨基酸组成。探索了四个关键领域:用于手性胺合成,酶促酰胺键的形成,Baeyer-Villiger氧化选择性控制和基于蛋白质的含水材料的跨激酶工程。为了增强来自硅杆菌pomeroyi(SP -ATA)的ω-转氨酸酶的热稳定性和底物范围,使用ASR来识别稳定突变,从而提高其工业适合性。为酰胺键的形成,有理设计优化了铜绿假单胞菌N-酰基转移酶(PA AT),并与氯瓜羧酸还原酶还原酶(CAR SR -A)的蛋白质rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus rugosus的腺苷酸化结构域相结合。工程的Y72S/F206N变体显着提高了与药物相关的羧酸的转化率,为化学合成提供了可持续的替代品。在Baeyer-Villiger氧化中,研究了过程优化以控制区域选择性。从杆菌和节肢动物物种中工程的Baeyer-Villiger单加氧酶(BVMO)通过增加氧气的可用性,将产品分布转移到了“正常”的内酯。用于基于蛋白质的吸水材料,patatin诱变改变了带电的氨基酸组成。如分子动力学模拟所证明的那样,富含LYS和ASP的变体增加了吸收吸水,这证明了酶工程在可持续吸收材料开发中的潜力。这项研究整合了计算和实验酶工程策略,以改善化学合成和功能性生物材料的生物催化,为工业生物技术和可持续材料科学提供新颖的解决方案。
3.09.1 简介 204 3.09.1.1 Leloir 与非 Leloir GT 及其供体底物 204 3.09.1.2 基于序列的 CAZy 家族和 GT 的结构分类 205 3.09.1.3 GT 的机制 205 3.09.1.3.1 反转 GT 机制 205 3.09.1.3.2 保留 GT 机制 206 3.09.2 GT 活性的抑制 208 3.09.2.1 GT 抑制剂的类型 208 3.09.2.1.1 GT 底物类似物和过渡态类似物 208 3.09.2.1.2 GT 的糖基化抑制剂 211 3.09.2.1.3 天然产物作为 GT 抑制剂 212 3.09.2.1.4 结构多样的合成小分子作为 GT 抑制剂 214 3.09.2.2 识别 GT 抑制剂的高通量筛选策略 215 3.09.2.2.1 通过核苷酸释放测量 GT 活性的偶联酶测定 215 3.09.2.2.2 基于碳水化合物微阵列的 GT 测定 216 3.09.2.2.3 基于荧光偏振的 GT 测定 217 3.09.2.2.4 使用荧光团标记的糖供体直接荧光测定 GT 活性 219 3.09.2.2.5 糖苷酶依赖性荧光偶联 GT 测定 219 3.09.3 GT 活性工程 221 3.09.3.1 使用合理的蛋白质设计修改 GT 活性 221 3.09.3.1.1 GT 的定向诱变 221 3.09.3.1.2 域交换生成 GT 嵌合体 222 3.09.3.2 高通量筛选策略及其在发现和设计 GT 活性中的应用 225 3.09.3.2.1 用于天然产物 GT 定向进化的基于平板的荧光猝灭策略 225 3.09.3.2.2 通过 FACS 进行细胞内荧光捕获以筛选 GT 活性 225 3.09.3.2.3 在基于平板和颗粒的体外试验以及基于 FACS 的体内试验中利用聚糖结合蛋白筛选 GT 活性 227 3.09.4 结论 228 参考文献 228
化学工程和生物技术的整合正在通过在各种应用中有效使用酶来改变行业。酶作为自然生物催化剂,在许多生物过程中一直是数十亿年的关键。然而,生物技术和化学工程的现代进步已促进了在工业环境中对这些蛋白质进行更系统和大规模利用的促进。通过工程酶,研究人员正在开发新颖的解决方案,以更高的精确,效率和可持续性加速化学反应,从而使从药品到食品生产和环境保护的众多部门受益。为了修改工业应用酶,研究人员使用了基因工程,蛋白质工程和计算建模的组合。
离子液体 (IL) 是室温下熔融的有机盐,可用于多种用途。许多 IL,例如 1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐 ([C 2 C 1 Im][OAc]),已被证明可以在预处理过程中从生物质中去除大量复杂的生物聚合物木质素。通过生物途径(例如酶)来增值木质素很有前景,但受到许多用于预处理的 IL 生物相容性低的限制。热稳定酶的发现和酶工程技术的应用已经产生了能够承受高浓度 IL 的生物催化剂。将木质素从废品转化为增值化学品对于未来纤维素生物精炼厂的成功至关重要。为此,我们在水性 [C 2 C 1 Im][OAc] 中筛选了超嗜热菌(嗜热菌)的木质素分解酶漆酶的活性。尽管该漆酶具有嗜热性(T opt > 90 ◦ C),但仅在 2% (w/v) [C 2 C 1 Im][OAc] 中观察到明显的活性损失(> 50%)。动力学研究表明,IL 可以与游离酶和酶-底物复合物结合。对接模拟表明阳离子倾向于与靠近活性位点的区域结合。然后,我们采用合理的设计策略来提高漆酶在 [C 2 C 1 Im][OAc] 中的活性。共进行了 8 次单氨基酸突变;然而,与野生型相比,突变体在 [C 2 C 1 Im][OAc] 中的活性没有显著提高。该研究结果揭示了酶-IL相互作用的复杂性质以及设计生物木质素增值策略时面临的挑战。
酶的一个重要特征是其高度的可工程化性,这一特征促成了酶的广泛应用。得益于先进的酶工程方法,我们在开发生物催化过程时不再局限于天然酶。相反,现在可以调整酶的特性以满足目标应用的特定要求。7 例如,可以对酶进行工程改造以扩大底物范围、改变选择性、改善动力学参数或增强工艺条件下的稳定性。这种工程改造通常通过定向进化来实现,定向进化已被证明是一种非常强大且通用的定制酶特性的策略。8,9 在某些情况下,定向进化与计算工具结合使用,以更有效地导航序列空间,并减少酶工程过程中的筛选负担。10,11
酶工程是一个革命性的领域,它利用生物催化剂的潜力转化和优化工业过程,药品生产以及其他各种应用。酶,自然的分子机器,在催化生化反应中起着至关重要的作用,并且它们通过遗传和生化技术的操纵开辟了科学和技术领域的新边界。
复杂的植物衍生天然分子的位点特异性功能化对合成化学提出了重大挑战。在这种情况下,诸如细胞色素P450(P450)和非特异性过氧化酶(UPOS)之类的氧化酶是有希望的酶候选者,因为它们能够催化未激活的C-H键的晚期氧化。蛋白质工程可用于扩大其底物范围并增强其活性和选择性。博士学位候选人的研究将重点放在选定的氧酶的酶工程上,以实现自然化合物的选择性氧化功能:
摘要:酶是许多工业应用必不可少的生物催化剂,但稳定性,选择性和受限的底物识别当前的使用限制。尽管酶工程在克服这些局限性方面的重要性,但通常会受到从天然来源衍生的酶的复杂建筑的挑战。计算方法的最新进展已使具有特定功能位点的简化支架的从头设计。这样的脚手架可能是酶工程平台的有利优势。在这里,我们提出了一种从从GH101酶家族的乙酰基乳糖苷酶活性位点(GH101酶家族的糖苷水解酶)的简化支架的从头设计的策略。使用Trrosetta幻觉,基于深度学习的结构预测的迭代循环以及蛋白质序列设计,我们设计了具有290个氨基酸的蛋白质,同时将分子量纳入了290个氨基酸,同时将分子量减少100 kDa,而不是初始的内膜α-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-乙酰乙酰基质抗乳酸化酶。在11种测试设计中,有6个表示为可溶性单体,与天然酶相比显示出相似或增加的恒温性。尽管缺乏可检测到的酶促活性,但代表性设计的实验确定的晶体结构以1.0Å的根平方偏差密切匹配设计,其催化性最重要的侧链在2.0Å之内。结果突出了脚手架幻觉在设计蛋白质中的潜力,该蛋白可能是后续酶工程的基础。关键字:从头设计,酶设计,糖苷水解酶,深网幻觉■简介
DNA聚合酶通过在细胞分裂期间将遗传信息从一代转移到另一代,在生物学中起着核心作用。利用这些酶在实验室中的力量促进了涉及DNA的合成,扩增和测序的生物医学应用的增加。然而,大多数天然发生的DNA聚合酶所表现出的高底物特异性通常无法在需要修改的底物的实际应用中使用。超越天然遗传聚合物需要复杂的酶工程技术,这些技术可用于指导通过量身定制的活性发挥作用的工程聚合酶的演化。这种努力有望通过具有新的物理化学特性的合成,复制和演变来使合成生物学中的新兴应用驱动合成生物学的新兴应用。
1 有机化学实验室 LR17ES08,天然物质团队,斯法克斯大学科学学院,PB 1171,斯法克斯 3000,突尼斯;samet.sonda95@gmail.com(SS);amaniayachi21@gmail.com(AA);noureddineallouche@yahoo.fr(NA);raoudhajarraya@yahoo.fr(RM-J.)2 斯法克斯突尼斯大学斯法克斯生物技术中心微生物生物技术和酶工程实验室,Road of Sidi Mansour Km 6,PB 1177,斯法克斯 3018,突尼斯;mariamfourati@ymail.com(MF); lotfi.mallouli@cbs.mrt.tn (LM) 3 Equipe BTSB-EA 7417, Institut National Universitaire Jean-François Champollion, Université de Toulouse, Place de Verdun, 81012 Albi, France; michel.treilhou@univ-jfc.fr * 通讯:nathan.tene@univ-jfc.fr;电话:+33-667276471 † 这些作者对这项工作做出了同等贡献。