從頭預(yù)測(cè)酶分子優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過分子動(dòng)力學(xué)（molecular dynamics，MD）模擬、量子力學(xué)/分子力學(xué)（quantum mechanics/molecular mechanics，QM/MM）聯(lián)用方法對(duì)酶分子催化機(jī)理分析，以及對(duì)蛋白質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步修飾可大幅提高基于從頭預(yù)測(cè)方法獲得新酶分子的催化活性。例如，在?Kemp?消除反應(yīng)酶分子設(shè)計(jì)中，羧酸基團(tuán)作為廣義堿與非極性底物間相互作用。但是由于羧酸基團(tuán)自由度較大，如果不能準(zhǔn)確計(jì)算羧酸基去溶劑化效應(yīng)的能量消耗及熵減，可能使羧酸基團(tuán)失去廣義堿功能從而導(dǎo)致反應(yīng)無法進(jìn)行。Warshel?課題組通過?QM/MM?經(jīng)驗(yàn)價(jià)鍵（empirical valence bond，EVB）方法預(yù)測(cè)高活性?Kemp?消除反應(yīng)突變體，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較一致，但與實(shí)驗(yàn)速率常數(shù)推導(dǎo)出的能壘的相關(guān)性較弱。Mayo?課題組計(jì)算迭代方法，以非活性蛋白質(zhì)支架?HG-1?為起始點(diǎn)計(jì)算，迭代校正后獲得的?8?種設(shè)計(jì)酶均表現(xiàn)出顯著的催化活性，大幅提高了計(jì)算設(shè)計(jì)酶分子的成功率。

Diels-Alder?反應(yīng)是雙分子成環(huán)反應(yīng)，自然界中并未發(fā)現(xiàn)能夠催化該反應(yīng)的天然酶分子。2010?年，Baker?研究團(tuán)隊(duì)通過“Inside-out?策略”設(shè)計(jì)了?84?個(gè)可能具有?Diels-Alder?反應(yīng)催化活性的蛋白，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后僅余兩個(gè)蛋白（DA_20?和?DA_42）具有?Diels-Alder?反應(yīng)催化活性。隨后，Baker?團(tuán)隊(duì)通過?Foldit?在線蛋白質(zhì)折疊游戲?qū)念^設(shè)計(jì)的?Diels-Alder?催化酶引入骨架活性以改善骨架結(jié)構(gòu)問題。多名在線貢獻(xiàn)者重塑?DA_20?骨架，使底物與蛋白骨架充分適應(yīng)調(diào)整，從而將?Diels-Alder?催化酶活性提高至少?18?倍。2012?年，Roelfes?課題組在轉(zhuǎn)錄因子?LmrR?孔道末端引入半胱氨酸，共價(jià)連接含有鄰菲羅啉或聯(lián)吡啶基團(tuán)的小分子進(jìn)而與?Cu(Ⅱ)?配位，設(shè)計(jì)出的人工金屬酶具有?97%?的對(duì)映選擇性。