摘要：采用半理性设计方法,在网站Geno3D上以PDB数据库中***麦芽糖淀粉酶(BSMA)的三维结构为模板,对AMY(α-淀粉酶)进行三维结构同源建模(二者氨基酸的同源性为33%)。比较同源建模预测的3D结构和模板BSMA的3D结构关键位点,在此基础上通过计算机辅助设计软件ProSa2003,根据能量变化确定了AMY三个饱和突变位点:D192、E221和D289。利用兼并引物对AMY的假定活性中心位点D192、E221和D289的氨基酸分别进行饱和突变,定点(饱和)突变库筛选得到4个有活力的突变子D192A、E221N、E221L和D289L,并对突变酶的酶学性质进行初步研究。

摘要：定点饱和诱变技术一直以来被广泛应用于蛋白的定向进化和代谢途径的研究,然而建立偏爱性低的高质量饱和突变库一直面临着严峻挑战.提出一种改进的建立智能突变体文库的方法,选取柠檬烯环氧水解酶(LEH)为突变对象,摒弃传统的NNK/NNN密码子简并引物,采用半理性设计突变氨基酸的方法,将PCR反扩载体与T5介导的克隆方法联用,构建一个随机的四点组合突变体库,突变效率高达81. 25%.此外,突变库的偏爱性大大降低,突变氨基酸的分布趋于平均,表现出低测序倍数基础上的高覆盖率.因此该方法极大提高了突变库的质量,降低了筛选成本,为蛋白质工程和生物合成的研究提供了好的思路.

摘要：传统的Kemp消除反应可以通过氢氧化钾和三烷基胺等碱性物质,催化底物苯并异恶唑开环生成产物2-氰基苯酚.三十年来,Kemp消除反应一直被用作模式反应来设计或定向进化新型生物酶催化剂,从而揭示未知的酶催化机制的复杂性,增强对酶催化机制的理解.目前科研人员使用不同的蛋白作为骨架设计能够高效催化Kemp消除反应的人工酶.例如Hilvert及Mayo等基于人工酶HG3.17,设计获得了Kemp消除酶,可以催化5-硝基苯并异恶唑生成产物2-氰基-4-硝基苯酚.通过17轮定向进化获得的最终突变体展现出与天然酶相近的催化活性(k_(cat)/Km=230000 L mol^(-1)s^(-1);k_(cat)=700 s^(-1)).该研究不仅表明蛋白质工程可以进化出高效的生物酶,量子力学/分子力学(QM/MM)分析还揭示了突变体催化活性提高的分子机制.与酸碱催化的Kemp消除反应不同,最近Korendovych等报道以肌红蛋白作为骨架基于氧化还原机制的Kemp消除反应,通过开发一种独特的基于核磁共振(NMR)的蛋白质定向进化技术,快速鉴定出热点氨基酸位点并获得了高催化活性的人工酶突变体,其同样达到了天然酶的催化活性.此前我们研究(***.,2017,8,14876)发现,与传统的酸碱催化机制完全不同,细胞色素P450-BM3能够通过氧化还原的机制催化Kemp消除反应.本文继续以P450-BM3为蛋白骨架,对其进一步改进以提高催化活性.以P450-BM3突变体F87G(kcat=3.0s^(-1))为模板,借助双密码子(酪氨酸和赖氨酸,Y-K)饱和突变策略,对其活性中心的六个关键氨基酸位点进行组合突变,经过筛选获得了活性大幅度提高的三突变体F87G/L75Y/T438K(k_(cat)=27.4s^(-1)).为进一步解析其催化活性提高的分子机制,首先对该突变体与底物复合物的晶体结构进行了解析,结果发现底物在突变体活性口袋的构象与野生型P450-BM3完全不同,底物的硝基指向了Heme辅基.对其进行了QM/MM计算研究,发现Heme-Fe(II)首先将电子转移到底物并与硝基配位,随后,有效促进了底物N-O键还原裂解,并使生成的中间产物Heme-Fe(III)-NO_(2)和苯氧基阴离子更稳定,最后,通过键的旋转和质子转移生成产物2-氰基-4-硝基苯酚.由此可见,同一P450酶的不同突变体能够以两种不同的底物结合模式以及氧化还原机制来催化Kemp消除反应.综上,本文获得了P450酶催化Kemp消除反应构效关系和催化机制新的认识,为进一步改造该酶提高其催化活性提供借鉴.

摘要：肌酐水平是指示肾脏功能的重要临床指标。肌酸酶(creatinase,CRE)是肌酐的酶促检测体系中的关键酶之一,也是整个体系的限速酶,较差的活性限制了它在临床检测和工业上的应用。针对此问题,采用半理性设计策略对产碱杆菌属(Alcaligenessp.)KS-85来源肌酸酶Al-CRE的活性进行了改造,通过对挑选出的突变热点进行饱和突变筛选和组合,最终获得多个活性提升的突变酶,活性最高的五点突变酶I304L/F395V/K351V/Y63S/Q88A比活力相较于野生型提升了2.18倍。同时对相关突变位点进行了结构分析,为肌酸酶的实际应用及对其机理的进一步解析提供了基础。

摘要：苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase, PAL)可催化L-苯丙氨酸生成反式肉桂酸,广泛应用在制药、食品和农业等领域中,尤其来源于多变鱼腥藻(Anabaena variabilis)的PAL (AvPAL)是现有唯一治疗苯丙酮尿症的蛋白类药物。但较低的活性和较差的稳定性限制了PAL在工业中广泛的应用。本研究针对组成AvPAL底物结合腔的氨基酸,通过点饱和突变文库筛选获得了活性提高的突变体,并通过定点突变探讨了M222位点对活性的影响。研究发现突变体M222L和M222V的k_(cat)值相比于AvPAL提高90%和60%,同时k_(cat)/K_(m)较AvPAL提高至1.4和1.5倍。结合分子对接结果显示,突变体M222L和M222V通过增加底物结合腔的疏水性提高AvPAL的催化活性。本研究对于阐明AvPAL关键底物结合位点结构与活性的关系具有重要的意义。

摘要：D-对羟基苯甘氨酸是一种重要的精细化工品,在制药行业具有广泛的应用前景。酶法是生产D-对羟基苯甘氨酸的主要手段,但由于缺乏高催化效率的酶而限制了D-对羟基苯甘氨酸的生产。为了提高来自Bacillus ***9的D-海因酶(HYD)的催化效率,进而提高D-对羟基苯甘氨酸的产量,对HYD的底物结合通道进行分析,选取底物通道瓶颈处的氨基酸进行饱和突变和筛选,以提高HYD的催化效率。结果显示,突变体F159S、F159A和F65V的活性相较于野生型HYD分别提高了51%、40%和17%,通过对突变体F65V、F159S和双位点突变F65V/F159S的酶动力学研究发现,突变体的K_(m)值基本与野生型HYD相似,而k_(cat)是野生型HYD的1.3、1.9和2.0倍,最终双位点突变F65V/F159S的催化效率k _(cat)/K_(m)是野生型HYD的2.4倍。高催化效率突变体的获得,以及对突变体动力学的分析,对酶法制备D-对羟基苯甘氨酸具有重要的研究意义和应用价值。