《基於大系統最佳化的CPC醯化酶的計算設計及實驗驗證》是依託清華大學，由朱玉山擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於大系統最佳化的CPC醯化酶的計算設計及實驗驗證
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：朱玉山
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本申請以催化CPC水解製備7-ACA的反應過程為例研究建立計算酶設計的大系統最佳化模型，並開發求解該模型對應的大規模混合整數線性規劃問題的全局最佳化算法，最後通過實驗測定CPC醯化酶突變株的活性檢驗計算酶設計模型的正確性及對模型中的參數進行修正。本申請在具體的建模過程中將重點研究考慮蛋白質結構模板柔性對酶活性位點處胺基酸序列最佳化的影響，並將反應路徑上酶與底物的一系列不同結合狀態考慮進酶設計的模型中，通過模型分析及實驗驗證建立酶活性位點處的胺基酸序列、複合物結構及活性的定量關係，以此來分析決定酶活性位點處胺基酸序列的基本物理化學規律，為得到高效催化CPC水解反應的CPC醯化酶突變株打下理論基礎。基於高效的CPC醯化酶突變株的一步酶法綠色工藝有望在製備醫藥中間體7－ACA的工業過程中取代現有的化學法及兩步酶法，從而達到節能減排的目的，因此本申請在工業套用上也具有重要的推廣價值。
結題摘要
本課題的背景是基於計算酶設計的方法創造人工酶催化劑從而開發以生物酶催化為主要手段的綠色工藝取代化學工業中給環境帶來巨大污染的以化學催化為主要手段的傳統工藝，本課題以設計頭孢菌素醯化酶從而催化頭孢菌素C水解製備藥物中間體7-氨基頭孢烷酸為具體的研究案例。具體的研究內容包括：（1）開發了基於擬牛頓法及界約束最佳化的關環算法，改善了催化殘基匹配算法，可以安裝多達10個催化殘基及複雜約束的酶催化活性位點，為設計催化目的反應的人工酶催化劑打下基礎；（2）開發了基於全原子模型及連續溶劑模型的胺基酸序列選擇能量函式，這個函式包括范德華相互作用、疏水相互作用、氫鍵相互作用、基於普遍波恩模型的靜電相互作用及熵作用，10個天然酶活性位點處的胺基酸序列84%可以復原，天然酶活性位點處的氫鍵網路可以準確預測；（3）建立了基於酶催化過渡態理論的胺基酸序列選擇全局最佳化算法，該算法基於末端消除法、大規模線性規劃及混合整數線性規劃，可以求解計算複雜性達到10100的蛋白質設計問題；（4）開發了用於過濾計算酶設計中得到的大量胺基酸序列的分子動力學模擬方法，模擬結果表明大量假陽性的設計結果可以被有效剔除；（5）以具有低活性的天然假單胞菌N176頭孢菌素C醯化酶為模板設計了穩定性大大提高的突變體，最好的突變體其蛋白融化溫度提高了11.7度。在穩定性提高的基礎上引入新的突變得到了催化效率很大提高的突變體，在實際工業合成測試條件下本課題設計的突變體的催化效率要遠高於文獻報導的結果。本課題開發的計算酶設計的研究方法可以用來設計催化頭孢菌素C水解反應以外的其它化學反應的酶催化劑，進而開發製備高附加值化學品的綠色工藝，實現化學工業循環發展的要求，為解決我國目前面臨的嚴重的環境危機帶來機遇。
