科學(xué)家設(shè)計算法來設(shè)計改良的酶

科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種“合理設(shè)計”酶以提高性能的新方法。他們設(shè)計了一種算法，該算法考慮了酶的進化歷史，以標(biāo)記出哪些突變可以引入，從而更有可能實現(xiàn)功能改進。

他們的研究成果今天發(fā)表在《自然通訊》雜志上，可能會對從食品生產(chǎn)到人類健康等一系列行業(yè)產(chǎn)生重大而廣泛的影響。

酶是生命的核心，也是開發(fā)創(chuàng)新藥物和應(yīng)對社會挑戰(zhàn)的工具的關(guān)鍵。數(shù)十億年來，酶通過改變支撐其三維結(jié)構(gòu)的氨基酸序列而進化。就像串珠一樣，每種酶都由數(shù)百種氨基酸序列組成，這些氨基酸序列編碼了酶的三維形狀。

每個位置都有 20 種氨基酸“珠子”中的一種，自然界中存在著巨大的序列多樣性。酶在形成三維形狀后，會發(fā)揮特定的功能，如消化食物中的蛋白質(zhì)、將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為肌肉中的力量，以及消滅侵入細胞的細菌或病毒。如果改變序列，就會破壞三維形狀，這通常會改變酶的功能，有時甚至?xí)蛊渫耆А?/p>

尋找提高酶活性的方法將對許多工業(yè)應(yīng)用大有裨益，而且利用現(xiàn)代分子生物學(xué)工具，可以簡單且經(jīng)濟高效地改變氨基酸序列，以促進其性能的改善。然而，隨機引入哪怕只有三到四個序列變化也會導(dǎo)致其活性急劇下降。

在這里，科學(xué)家們報告了一種有前途的新策略，即合理設(shè)計一種名為“β-內(nèi)酰胺酶”的酶。布羅德研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員沒有采用散彈槍式的方法引入隨機突變，而是開發(fā)了一種考慮到酶進化歷史的算法。

“這種新算法的核心是一種評分函數(shù)，它利用來自許多不同生物體的數(shù)千個 β-內(nèi)酰胺酶序列。與少數(shù)隨機變化不同，在 280 個序列中產(chǎn)生了多達 84 個突變，以增強功能性能，”研究合著者之一、都柏林圣三一學(xué)院生物化學(xué)和免疫學(xué)學(xué)院副教授 Amir Khan 博士說。

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