上海交大研究团队开发非天然底物结合适配策略实现氨基转移酶高效进化

近日，国际知名期刊《ACS Catalysis》在线发表了上海交大冯雁教授团队崔莉副研究员的研究成果“Molecular Evolution of an Aminotransferase Based on Substrate–Enzyme Binding Energy Analysis for Efficient Valienamine Synthesis”。该研究提出了基于“酶-底物结合能分析”的半理性进化方法，使非天然小分子底物在转氨酶大结合口袋中进行有效适配，有效提升了酶催化合成糖尿病药物中间体-井冈霉烯胺的能力。生命科学技术学院崔莉副研究员为通讯作者，冯雁教授、邵文广长聘教轨副教授参与了研究。

合成生物学通过工程化的系统设计，用标准化和模块化的元素在生物系统中重构所需的人工合成体系，为完善药物创新和优产提供了变革模式。研究团队以糖苷酶抑制剂-C7N氨基环醇类化合物井冈霉烯胺为模式分子，以井冈霉素生物合成途中间体为设计节点，偶联异源高度立体选择性氨基转移酶，成功建立了井冈霉烯胺生物合成途径。然而，人工设计途径异源酶对非天然底物催化活力低，途径适配性差仍是合成生物学设计途径高效运行需要突破的难题。

本研究在实现异源氨基转移酶催化井冈霉烯酮合成井冈霉烯胺的基础上，系统地分析了候选氨基转移酶底物结合口袋的结构特征，及其与天然底物和设计底物之间的结合差异，发现了导致酶对非天然底物催化活力低的不利结合构象。通过虚拟突变结合能筛选及活性中心氨基酸进化保守性分析，锁定了影响不利构象形成的9个潜在氨基酸位点，对其进行了组合活性位点饱和试验/迭代饱和突变（CAST/ISM）；获得的优秀突变体与井冈霉烯酮的结合构象更加有利于转氨反应的发生，对井冈霉烯胺的合成能力提高了35倍。


分子酶学与合成生物学研究团队长期致力于药物合成生物学人工途径设计构建及微生物合成途径再编程研究。在科技部合成生物学重点专项、国家自然科学基金等项目的资助下，先后完成了井冈酶烯胺、人参皂苷Rh2、丝氨醇生物合成途径的设计和改造工作。本研究发展的“非天然底物结合适配”策略，为适配酶与底物之间的相互作用，优化“小底物”在“大口袋”中的结合构象，提高候选酶对非天然底物的催化能力提供了进化方案；进一步深化了对合成生物学设计途径高效适配的探索，提升了采用蛋白质工程技术手段对功能酶催化活性的控制能力，为应用合成生物学理念构建基于非天然反应的高值化合物人工合成途径提供了解决方案。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c03784