《計算機輔助的頭孢菌素C醯化酶的從頭設計》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：計算機輔助的頭孢菌素C醯化酶的從頭設計
- 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
本課題將以超結構建模及大系統最佳化為基礎建立計算機輔助的酶分子從頭設計計算策略，並以催化CPC水解製備7－ACA的反應過程為例設計CPC醯化酶進行實驗驗證。本課題在具體的建模過程中將重點研究（i）基於蛋白質三維資料庫及目的反應過渡態小分子的大小、形狀及簡化催化約束開發骨架篩選算法及建立針對目的反應的骨架庫；（ii）改進蛋白骨架上的催化殘基匹配算法，匹配過程中不僅考慮催化殘基的預組織還要考慮不同反應步驟之間催化殘基的再組織約束；（iii）改進結合位點處的胺基酸序列選擇最佳化算法，建立求解考慮蛋白摺疊自由能最小及酶活性位點與小分子過渡態之間結合能最小的多目標最佳化模型。本課題將針對CPC水解反應建立蛋白骨架庫及從頭設計能夠催化CPC水解的人工酶並進行實驗驗證，通過實驗結果與模型計算相結合的方法探索酶分子從頭設計的物理化學規律，從而為開發能夠催化任意目的反應的人工酶打下理論基礎。
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非天然底物的反應從而開發製造精細化學品及藥物中間體等的環境友好的綠色工藝。本課題以頭孢類抗生素藥物的酶法製備為具體的研究案例開發了一系列針對非天然反應的頭孢菌素醯化酶。具體的研究內容包括：（i）開發了能夠掃描結構資料庫的匹配自組織酶活性位點模型的最佳化算法，該算法可以在天然骨架上將反應過渡態安裝到＜2Å的精度，從而為在惰性骨架上設計針對非天然反應的活性位點打下基礎；（ii）針對頭孢拉定的合成反應在蛋白質結構資料庫中找到了能夠催化頭孢拉定水解及合成的新骨架，並設計了催化效率提高10倍的突變體；（iii）針對頭孢菌素C水解製備7-氨基頭孢烷酸的反應，在頭孢菌素醯化酶N176的基礎上設計了催化活性提高的突變體，在頭孢菌素醯化酶AcyII的基礎上設計了熱穩定性提高的突變體；（iv）針對頭孢拉定的合成反應，在青黴素醯化酶的基礎上設計了動力學選擇性提高10倍的突變體，並以這個突變體為基礎開發了頭孢拉定合成的酶法工藝，有望在工業上第一次實現頭孢拉定的酶法合成。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拉定以外的其它頭孢類抗生素藥物及非天然底物的酶催化劑，以此開發製備此類高附加值化學品及藥物中間體的綠色工藝來取代傳統的化學工藝，從而大大減少化工過程不可生物降解廢物的排放，為解決我國目前面臨的嚴重的環境危機帶來機遇。
