近日，我室冯雁教授分子酶学与合成生物学研究室在国际知名期刊《ACS Catalysis》上发表了题为“Molecular Evolution of an Aminotransferase Based on Substrate–Enzyme Binding Energy Analysis for Efficient Valienamine Synthesis”的研究论文。该研究提出了一种针对非天然小分子底物井冈霉烯酮在目标转氨反应候选酶RffA_Kpn大结合口袋中的半理性进化方法，有效提升了候选氨基转移酶催化设计底物井冈霉烯酮合成井冈霉烯胺的能力。我室崔莉副研究员为论文通讯作者。

蛋白质工程半理性设计基于对酶结构-功能关系及催化机制的深入解析，将随机突变限定在最有可能产生有益突变的功能位点，构建有益突变集中的、“小而精”的高质量文库，大幅提升酶分子进化的速度和效率。

该团队在实现异源氨基转移酶催化井冈霉烯酮合成井冈霉烯胺的基础上，系统分析了候选氨基转移酶底物结合口袋的结构特征，及其与天然底物和设计底物之间的结合差异，发现了导致酶对非天然底物催化活力低的不利结合构象。通过虚拟突变结合能筛选及活性中心氨基酸进化保守性分析，锁定了影响不利构象形成的9个潜在氨基酸位点，对其进行了组合活性位点饱和试验/迭代饱和突变（CAST/ISM）；获得的优秀突变体与井冈霉烯酮的结合构象更有利于转氨反应的发生，对井冈霉烯胺的合成能力提高了35倍。

该团队长期致力于药物合成生物学人工途径设计构建及微生物合成途径再编程研究。在科技部合成生物学重点专项、国家自然科学基金等项目的资助下，先后完成了井冈酶烯胺、β-井冈酶烯胺和人参皂苷Rh2生物合成途径的设计和改造工作。该研究发展的“非天然底物结合适配”策略，为适配酶与底物之间的相互作用，优化“小底物”在“大口袋”中的结合构象，提高候选酶对非天然底物的催化能力提供了进化方案；进一步深化了对合成生物学设计途径高效适配的探索，提升了采用蛋白质工程技术手段对功能酶催化活性的控制能力，为应用合成生物学理念构建基于非天然反应的高值化合物人工合成途径提供了解决方案。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03784