应用生物信息学手段的酶催化性能优化研究

摘要

随着信息技术在硬件、软件和机器深度学习等方面的飞速进步，以及人们对于生命本质的不断深入理解，作为广义生物学重要组成部分的生物信息学也得到了快速发展。生物信息学现已普遍应用于分子生物学、基因组学、蛋白组学和结构生物学等学科的研究中。核酸数据库、蛋白数据库、结构数据库的不断扩容，为生物信息学的科学性分析提供了可靠的数据依托;分子力学、分子动力学、量子力学算法及相应计算软件的不断优化，为生物信息学的精确运算提供了理论层面的支持。
　　蛋白质是基因表达的最终形式，承载着生命的活力。生物信息学不仅可以用于理解蛋白质起源、进化、结构、功能之间的关系，甚至可以指导设计和改造蛋白质，以得到新型的生物活力分子。酶通常为蛋白质，它也是生物催化的技术核心。然而，随着生物催化技术逐步被应用于更为广阔的行业领域，天然酶的催化性能已经不再能满足生物反应对于更为稳定高效的催化过程，更为丰富的催化产品，和更为低廉的应用成本等方面的应用需求。
　　本论文基于酶的进化、结构与催化性能之间的规律，以生物信息学手段实施酶催化性能的优化和改造，建立了酶定向进化策略中DNA重组智能文库（Smart library）的选点模型，有效降低了基因进化文库中重组突变体的致死率;建立了酶与底物相互作用关系的分子力学模型，理性改造了一种多聚磷酸激酶的底物选择性;建立了酶与表面修饰分子构象构效关系的分子动力学模型，阐释了糖类化合物修饰酶分子表面的作用机理。研究内容如下:
　　1、冗杂的基因突变文库是限制酶定向进化策略高效实施的关键问题。本研究以计算预测的突变体解旋自由能(△G)入手，基于蛋白序列-结构-功能之间关系的规律，建立了定向进化策略中DNA重组智能文库(Smartlibrary)的选点模型。该选点模型具有降低定向进化DNA重组文库中突变体致死率的特点，通常可降低80％的致死率。基于该选点模型，本研究选取了脂肪酶(Bacillus subtilisl ipase A-B SLA)的13个突变位点，探索性建立了该酶的离子液体([BMIM][Cl])抗性重组突变体的虚拟定向进化策略。实验表明，采用本研究的虚拟定向进化策略筛选获得的最佳抗性突变体(F17S-V54K-D64N-D91E)与传统实验中单点叠加突变获得的最佳抗性突变体具有一致性，并与实验定向进化策略中获得的最佳抗性突变体在F17和V54位点上的氨基酸替代种类一致。
　　2、揭示酶与底物相互作用关系是理性设计改造酶底物特异性的重要依据。本研究利用生物信息学的分子对接技术，通过计算酶与底物间的结合能，建立了多聚磷酸激酶与底物分子相互作用关系的分子力学模型。发现了多聚磷酸激酶(Corynebacteriumglutamicum polyphosphatekinase-PPK2(NCgl2620))的双亚基结构具有功能性空腔，可形成新的ADP底物结合口袋，并具有利用低聚磷酸(PolyP(4))分子催化生成ATP的功能;基于以上发现，重构了(Sinorhizobium meliloti polyphosphatekinase-PPK2(SMc02148))多聚磷酸激酶的底物结合位点，发现其突变体PPK2（SMc02148-KET）具备了利用低聚磷酸(PolyP(4))作为磷酸供体，体外催化再生ATP的能力，并构建了谷胱甘肽双功能连接酶和己糖激酶的多酶催化体系，得到了谷胱甘肽（产物浓度:38.79 mM）和葡萄糖-6-磷酸（产物浓度:87.35 mM）。结果表明，理性设计的多聚磷酸激酶SMc02148-KET可实现体外再生ATP。
　　3、本研究利用分子动力学模拟技术，建立了溶剂环境中酶分子与表面修饰功能性分子作用关系的计算分析模型。应用上述计算分析模型，阐述了脂肪酶（Yarrowia lipolytica Lipase2-YLLIP2）的热失活和极性有机溶剂失活机理;进而发现了脂肪酶表面极性氨基酸残基与β-环糊精外环羟基相互作用时，酶与β-环糊精形成的超分子构象可有效改善酶的温度和溶剂耐受性。基于此结论，进一步研究了葡萄糖分子表面修饰脂肪酶(YLLIP2)所形成的糖-酶超分子在甲醇溶液中的构象构效关系，解释了在脂肪酶(YLLIP2)催化生物柴油的生产过程中葡萄糖作为添加剂对生物柴油（脂肪酸甲酯）转化率的促进作用机制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 生物信息学

1．2．1 生物信息学概述

1．2．2 生物信息学主要研究内容

1．3 本研究涉及的生物信息学手段

1．3．1 蛋白序列分析——序列比对

1．3．2 蛋白结构预测——同源建模

1．3．3 蛋白质与底物分子作用关系——分子对接

1．3．4 体系环境因素对蛋白质结构的影响——分子动力学模拟

1．3．5 蛋白质的结构稳定性——解旋自由能分析

1．4 酶在生物催化中的应用及酶催化性能改造策略

1．4．1 酶的概述

1．4．2 酶在生物催化中的应用

1．4．3 酶在生物催化中的应用瓶颈

1．4．4 酶的催化性能优化和改造策略

1．5 本研究思路及内容

第二章 基于计算模拟筛选的高效定向进化策略的研究

2．1 引言

2．2 实验材料和方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 DNA片段合成

2．2．3 DNA重组文库构建

2．2．4 质粒构建

2．2．5单点突变

2．2．6 筛选培养基平板初筛

2．2．7 96孔板抗性测定

2．2．8 蛋白表达量测定

2．2．9 比酶活测定

2．2．10 突变结构稳定性分析

2．2．11 蛋白结构保守性分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 脂肪酶(BSLA)重组突变体离子液体抗性的定向进化

2．3．2 重组突变选点策略

2．3．3 计算筛选策略

2．4 本章小结

第三章 基于理性设计的多聚磷酸激酶体外ATP再生系统构建的研究

3．1 引言

3．2 实验材料和方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 质粒构建

3．2．3 定点突变

3．2．4 异源表达

3．2．5 多聚磷酸激酶酶活实验

3．2．6 多聚磷酸激酶与谷胱甘肽双功能酶的级联反应

3．2．7 多聚磷酸激酶与己糖激酶的级联反应

3．2．8 同源建模

3．2．9 分子对接

3．3 结果与讨论

3．3．1 低聚磷酸盐对多聚磷酸激酶PPK2(SMc02148)的底物抑制作用

3．3．2 多聚磷酸激酶PPK2(NCgl2620)的同源模型构建

3．3．3 低聚磷酸与多聚磷酸激酶PPK2(NCgl2620)的作用机理

3．3．4 构建以低聚磷酸为底物的体外ATP再生体系

3．4 本章小结

第四章 基于分子动力学模拟的糖类化合物与脂肪酶超分子构象研究

4．1 引言

4．2 实验材料和方法

4．2．1 实验部分

4．2．2 模拟计算部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 脂肪酶(YLLIP2)口袋开放结构的获取

4．3．2 脂肪酶(YLLIP2)温度失活机理

4．3．3 脂肪酶(YLLIP2)溶剂失活机理

4．3．4 β-环糊精对脂肪酶(YLLIP2)热稳定性的影响

4．3．5 β-环糊精对脂肪酶(YLLIP2)甲醇耐受性的影响

4．3．6 葡萄糖对脂肪酶(YLLIP2)催化生产生物柴油的影响

4．3．7 葡萄糖对于脂肪酶(YLLIP2)甲醇耐受性作用的模拟分析及实验验证

4．4 本章小结

第五章 创新点

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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