盘算赋能微生物修建合成生物学底层砌块研讨获停顿

由酶驱动的生化反馈网络奠基了性命运动的焦点根底，对微的退化与机制研讨可为解答性命来源和生物代谢途径演变等迷信成绩提供线索。酶资本赋予了微生物物资转化才能，为药物、动力、新资料等产物的精准合成与绿色制作提供了可选方案是人工发明性命的需要根底。

作为最根底的性命砌块，二十种人造氨基酸独特修建了地球上的性命系统。但人造氨基酸所携有的功效基团变动无限，限定了人工卵白质设计和药物利用的倒退。近年来，非人造氨基酸的引入拓展了传统分子设计的思想界限，其共同构造赋予了卵白质新的物理化学性子与生物功效，加强了人类深化懂得、准确调控乃至感性设计性命体的才能。因为非人造氨基酸通常缺乏自然的合成系统，从微生物质源宝库中挖掘、懂得并应用酶，进而倒退非人造氨基酸的高效生物合成途径成为该畛域的机会与挑战。

在生物合成途径的设计畛域，“生物逆向合成”是近年来被普遍利用的设计办法。该办法采取反向的逻辑思想方式，据此理念指导，非人造氨基酸可以被切割为羧酸与胺分子两个部门。而匆匆成二者间接联合的氢胺化碳氮成键酶匆匆反馈具有较高的原子经济性，被视为合成非人造氨基酸的最优路径。然而，微生物系统中氢胺化酶极为稀缺，仅有寥寥数种氢胺化酶被发现。这些氢胺化酶在功效出现出高度的专注性，极年夜限定了生物氢胺化反馈的合成谱系，使得酶分子退化举步维艰。这种功效高度专注的分子表型背地的决议构效机制是什么？氢胺化酶严厉的选择性是否具备调控空间？这些迷信成绩有待进一步探求。

中国迷信院微生物研讨所研讨员吴边团队于2021年5月在Nature Catalysis上，以封面文章模式报道了对于卵白质年夜标准盘算重设计修建微生物非人造氨基酸合成平台的研讨结果。科研职员使用试验室树立的酶盘算设计平台，以源自芽孢杆菌的高特同性氢胺化酶为研讨工具，准确描绘出酶活性中间与底物之间造成的简单氢键平面网络，在原子标准说明了该酶的反馈机理与专注性机制。进而重构了完全的酶活性中间，冲破了生物系统内氢胺化反馈非人造底物无奈兼容的瓶颈，发明出超广谱微生物氢胺化反馈途径，为合成生物学所需的新型底层性命砌块发明了平台制备系统。

在后期任务根底上，科研职员提出了针对氢胺化酶的设计准绳，并在设计准绳的领导下对天冬氨酸酶活性中间的氢键网络进行了联系处置，刻画了近似反馈态几何标准限制模子，通过蒙特卡洛随机序列空间扫描的盘算办法对非催化依赖的氨基酸残基进行功效重设计。研讨使用基于能量函数以及能源学模拟进程中近似反馈态几何标准约束频率的一致性评分成果对重设计卵白进行虚构挑选，进一步优化了盘算设计文库。科研职员对通过虚构挑选后的终极设计卵白进行试验表白验证，得到了一系列可能催化穿插底物的人工非人造氨基酸合成酶。应用这些人工重构的微生物氢胺化反馈元件，进一步构建出可用于临盆的工程菌株，完成了数十种非人造氨基酸的绿色合成，底物浓度到达150 g/L，完成了99％转化率、99％区域选择性、99％平面选择性，时空产率到达131 g/L/h，相关指标到达了工业化临盆的尺度。(100yiyao.com）