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ACS Catal. | 基于GRAPE策略的计算设计实现温和条件下塑料生物降解

2021年1月,中国科学院微生物研究所的吴边团队在ACS Catalysis上发表文章提出了一种新型蛋白质稳定性计算设计策略——GRAPE(greedy accumulated strategy for protein engineering)(图1),利用该策略研究人员对PET塑料降解酶IsPETase进行了稳定性改造,使得突变体DuraPETase的熔融温度升高31℃,并且在温和温度下对PET膜的降解增强30%(图3A)。还实现了在温和条件下将2 g/L微塑料完全生物降解为水溶性产品(图3E)。

图1. GRAPE 策略示意图

GRAPE策略主要分为3个部分

1、基于四种不同的单点突变预测算法ABACUS、FoldX、Rosetta –ddg、 Consensus Analysis预测到253个潜在位点,经过人工检查筛选(破坏氢键、疏水残基暴露等)和实验验证最终获得了21个有益单点突变;

2、通过K-means聚类算法,将21个有益单点突变分为3个Cluster;

3、组合阶段根据热稳定性和降解性能来决定是有益突变还是有害突变,根据贪婪算法(图2)对每个聚类中的突变进行累积,以识别出稳定性和酶活性提高的多点组合突变。值得注意的是,贪婪算法不从整体最优上加以考虑,算法得到的是某种意义上的局部最优解。

图2.贪婪算法示意图

经过10轮迭代叠加得到突变体IsPETase-M10(S214H-I168R-W159H-S188Q-R280A-A180I-G165A-Q119Y-L117F-T140D, M10),研究人员将其命名为DuraPETase,并对其进行了活性检测、扫描电镜分析和蛋白晶体结构解析。结果显示,DuraPETase对30%结晶度PET薄膜的降解效率相较于野生型提升了300倍(图3B),对甲醇和乙二醇的耐受性显著提高(图3C);经DuraPETase处理后的PET薄膜内部结构发生了显著的腐蚀变化(图3D);在动力学模拟中观察到W159H突变与Ser160形成一个新的氢键(图4a),I168R和D186之间形成新的盐桥相互作用(图4b),L117F和Q119Y与Tyr87形成了“T形” π-π 相互作用(图4c)。

图3(A)DuraPETase相较于野生型 Is PETase在不同温度下对30%结晶度PET薄膜的降解性能;(B)DuraPETase及野生型 I s PETase在37°C条件下对30%结晶度PET薄膜的降解曲线;(C)DuraPETase及野生型 Is PETase在有机溶剂中的降解性能;(D)PET薄膜在不同溶剂中孵育10天的扫描电镜图;(E)DuraPETase及野生型 Is PETase对纳米塑料及微塑料的降解曲线。

图4  W159H,I168R-S188Q, S214H-L117F-Q119Y突变的结构分析

GRAPE策略的提出是酶设计方法的重大进步,其优势在于结合了聚类算法和贪婪算法,通过最少的实验筛选,在较短时间内最大限度的探索序列空间叠加路径。该研究为计算机辅助蛋白质改造提供了新思路,并为减少环境微塑料积聚的研究开辟了道路。近期,该团队已经开发了基于此策略的网站服务器,地址https://nmdc.cn/grape-web/,更方便广大研究人员的应用。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.0c05126

作者: 马爽



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