近日，我校生物反应器工程国家重点实验室许建和教授团队郁惠蕾教授课题组利用人工智能赋能的蛋白质理性设计技术重塑了羧酸还原酶的活性中心，大幅提升羧酸还原酶的活性和底物专一性，并成功应用于尼龙6和尼龙66的单体（1,6-己二胺和6-氨基己酸）的生物合成中。研究成果以“Computation-driven redesign of an NRPS-like carboxylic acid reductase improves activity and selectivity”为题，发表于Science子刊Science Advances上。
尼龙作为一类含有酰胺基团的高分子聚合物，全球市场超过300亿美元。随着汽车轻量化需求的兴起，全球尼龙需求快速扩增，其中尼龙6和尼龙66占到约90%。目前尼龙6和尼龙66的单体生产仍然依赖于以石油基底物为原料的化学工艺，而基于生物基原料的生物合成路线一直受限于羧酸还原酶的极低效率。
羧酸还原酶作为一种类非核糖体多肽合成酶蛋白(Nonribosomal peptide synthase-like protein)，拥有模块化的多结构域组成，催化机制复杂。由于缺少精确的酶过渡态信息，仅依靠经典的酶分子改造方法始终难以提高其催化效率。
研究团队发展了人工智能赋能的蛋白质理性设计新方法，构建了基于近攻击构象(Near-attack conformation)概率和酶-底物结合能(Rosetta Energy Score)的物理模型，利用Rosetta Design对活性中心多个位点的庞大组合突变体库进行了高效精准的设计和评价，实现了酶活性中心大范围协同突变的“功能重塑”。人工设计的突变体酶对底物6-氨基己酸的催化效率提升101倍，对底物1,6-己二酸的催化效率提升14倍且底物专一性提高86倍。最终由1,6-己二酸出发合成尼龙前体6-氨基己酸和1,6-己二胺，生产强度分别达到文献报道最高值的13.3倍和12倍。
值得一提的是，本工作深度融合了2024年诺贝尔化学奖获得者的计算蛋白质设计及蛋白质结构预测技术。预期本研究将持续助力于攻克传统酶进化和设计的技术瓶颈，极大地提高酶分子改造的效率和成功率，突破生物制造系统的重大科学问题和关键共性技术。
该论文以华东理工大学为唯一通讯单位，博士后石焜和博士研究生李举谋为共同第一作者，郁惠蕾教授为通讯作者。研究工作得到了许建和教授的大力指导，并获得了国家重点研发计划“新分子生化反应设计与生物合成系统构建”、上海市合成生物学重大专项“开发AI赋能的酶定向进化和设计技术”、国家自然科学基金、前沿科学中心等科研项目的资助。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp6775