基于结构建模与分子对接的β-内酰胺酶活性位点设计

摘要

以生物酶为催化剂进行物质转化的工业生物技术由于具备高效率、低能耗、低物耗及环境友好等特点开始在高附加值化学品及医药等的制备过程中逐步得到应用,但天然酶是蛋白质,它适宜的工作条件是常温、水溶剂、中性pH值及特定底物,因此不能完全满足化学工业面对的苛刻的反应条件。近年来,计算蛋白质设计技术的发展为我们提供了一种改进现有酶催化剂及开发全新酶的选择。为了进一步研究蛋白质设计的原理,特别是酶催化位点的设计,本课题的研究选择TEM型β-内酰胺酶和头孢菌素作为研究对象，通过结构建模及分子对接,来研究β-内酰胺酶不同突变株与不同结构头孢菌素的结合情况,分析其活性位点突变的规律。TEM型超广谱β-内酰胺酶是由已知结构的广谱酶TEM-1和TEM-2的编码基因发生突变造成1-4个氨基酸改变而形成的一系列酶蛋白。TEM型内酰胺酶序列全长为290个氨基酸,目前发现的130个 TEM型β-内酰胺酶彼此间同源性很高,基本都在98%以上,因此利用同源建模可以从TEM-1得到准确性很高的三维结构。在研究过程中,我们选用了15个TEM型β-内酰胺酶作为对接受体,24个头孢菌素作为底物(配体)进行对接,β-内酰胺酶突变株的结构通过同源建模软件Modeller 得到,而酶与底物之间对接的构象及结合能通过软件AutoDock 得到。根据大量的对接结果及相应的对接能量的构成,我们分析了β-内酰胺酶活性位点突变的规律,从而通过学习β-内酰胺酶在药物选择压力下形成的天然进化能力可以推测酶活性位点设计的一般原理。