中國農科院微生物與酶工程科技創新團隊提出酶熱穩定性的新見解

近日，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所微生物與酶工程科技創新團隊發布了“酶熱穩定性的新見解：”短板“理論和Zero-Shot Hamilton模型”，該項研究進展近日以內封面論文的形式發表于《先進科學（Advanced Science）》期刊，題為“Novel Insights into Enzymatic Thermostability: The ”Short Board“ Theory and Zero-Shot Hamiltonian Model”。

　　了解天然穩定酶的熱穩定機制，提高酶的熱穩定性是酶工程研究的重要內容。盡管各種工程方法得到了發展，但仍有很大的改進空間。本研究提出了一個“短板”理論的新概念，該理論將蛋白質概念化為木桶，每個成分代表一個長短不一的板，木桶的最短板是限制酶的熱穩定提升的限制因素。為了驗證這一理論，利用具有多個結構域的重要工業酶種α-淀粉酶作為模型酶。利用結構域置換的方法在結構域、殘基和原子水平上證實了“短板”的存在及其對熱穩定性改善的影響。在此基礎上，以α-淀粉酶為對象，建立了一種新的熱穩定性設計與預測模型——Zero-Shot hamilton （ZSH）。這種基于熱穩定性和深度學習的協同進化方法僅在應用于具有固定短板的酶時表現出顯著的成功。“短板”理論與ZSH模型的整合提出了一種提高酶熱穩定性的創新工具。

　　研究首先提出了蛋白質熱穩定性“短板理論”，以中溫α-淀粉酶（mesoAMY）為模型，通過結構域替換實驗，得到了 T m值提升12 °C的替換了B結構域的嵌合酶（meso-AMY-B），證實了B結構域是α-淀粉酶的熱穩定性的最“短板”。在解決了蛋白質結構的熱穩定性“短板”后，建立了一種有效的工具——ZSH模型來表征蛋白質熱穩定性。模型主要關注雙點突變帶來的熱穩定性改變，并通過在Meso-AMY-B上進行定點誘變實驗進行驗證，實現了約70%的成功率，最優突變體F237R/S240G的 T m值提高了8.5 °C。通過在未修復的模型酶mesoAMY上進行了相同的突變，在mesoAMY-B上顯著提升的特異性突變在mesoAMY中并沒有產生顯著的影響，進一步證實了“短板”修復對蛋白質熱穩定性設計的關鍵作用。通過對熱穩定性數據、殘基相互作用及ZSH模型中預測的接觸圖譜的相關性分析，闡明了mesoAMY熱穩定性提升的潛在機制，并進一步證實了ZSH設計策略的顯著效果。

　　綜上，研究人員通過提出一種增強酶熱穩定性的 Zero-Shot 方法，闡明了“短板”在蛋白質工程中的關鍵作用，從而有可能將其應用擴展到各種生物技術領域。在兩個數據集之間觀察到的明顯差異強調了 “短板” 在調節酶熱穩定性方面的關鍵作用。這種差異可歸因于“短板”區域的固有傾向在蛋白質變性過程中展開，導致整個蛋白質分子的結構和功能發生變化。與上位性和遠程相互作用不同，“短板”對熱穩定性的影響是可預測的，通常會導致有利的突變。然而，完全理解后一種因素如何共同影響熱穩定性仍然是一項具有挑戰性的任務。

　　中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所的涂濤研究員和杭州力文所生物科技有限公司的王浩博博士為該文章的共同通訊作者，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所的廖敏博士和昌平實驗室的馮世豪博士為該文章的共同第一作者。該研究得到了國家國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

　　原文鏈接：

　　https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402441