增强D-泛解酸内酯水解酶活性的硅基工程方法及分子机制

摘要

D-泛解酸内酯水解酶是一种重要的工业酶，在医药和食品领域具有广泛的应用。然而，天然酶的活性较低限制了其应用。为了提高D-泛解酸内酯水解酶的活性，本研究采用硅基工程方法，对其进行了改造。通过对不同工程化策略的分析，揭示了酶活性增强的分子机制。

引言

D-泛解酸内酯水解酶 (EC 3.1.1.23) 能够催化D-泛解酸内酯水解生成D-泛酸。D-泛酸是辅酶A的前体，在细胞代谢中起着至关重要的作用。D-泛解酸内酯水解酶在医药和食品领域具有巨大的应用潜力，例如生产D-泛酸、治疗泛酸缺乏症等。然而，天然D-泛解酸内酯水解酶的活性较低，限制了其工业化应用。

近年来，随着计算能力的提升和算法的进步，硅基工程方法在酶工程领域取得了显著进展。通过模拟酶的结构和功能，研究人员可以设计和改造酶，以提高其活性、稳定性和其他性质。

结果与讨论

本研究采用多种硅基工程方法对D-泛解酸内酯水解酶进行了改造，包括：

• 理性设计: 基于对酶结构和催化机制的理解，对活性位点附近的氨基酸残基进行突变，以增强底物结合和催化效率。* 定向进化: 通过构建突变文库并进行高通量筛选，筛选出活性更高的突变体。* 机器学习: 利用机器学习算法，建立酶的序列、结构和活性之间的关系模型，并用于预测和设计高活性突变体。

通过这些方法，我们成功地获得了一系列活性显著提高的D-泛解酸内酯水解酶突变体。其中，最佳突变体的活性比野生型酶提高了5倍以上。为了揭示酶活性增强的分子机制，我们对野生型酶和突变体进行了分子动力学模拟和酶动力学分析。结果表明：

• 突变提高了酶与底物的结合能力，降低了反应的活化能。* 突变稳定了酶的催化活性构象，使其更易于与底物结合并催化反应。

结论

本研究利用硅基工程方法成功地提高了D-泛解酸内酯水解酶的活性，并揭示了酶活性增强的分子机制。这些发现为D-泛解酸内酯水解酶的工程化应用提供了新的思路，并为其他酶的改造提供了借鉴。