核磁共振波谱学用于指导更好的酶的进化

核磁共振波谱技术可以提供一种快速而简单的方法来识别蛋白质中的热点，以设计新的和更有效的酶。这项工作背后的团队通过指导一种通常储存氧气的肌肉蛋白质的进化，使其成为一种有效的消除酶，证明了这种方法。

蛋白质工程师使用定向进化作为一种工具来改善蛋白质的性质，以及创造新的酶。通过模仿自然选择，它通常涉及基因突变周期，以产生一个变体库，其中一些可能具有理想的功能。然而，由于一种特定蛋白质有如此多的潜在突变，探索的空间是巨大的。

先进的计算方法通常通过预测有益突变的位置来帮助科学家选择在哪里引入突变。然而，这些需要事先了解结构信息，而对于感兴趣的蛋白质来说，这并不总是已知的。更重要的是，这些方法很难预测远离酶活性位点的远程突变，这可能会极大地提高酶的活性。

“定向进化非常强大，但它确实受到数字游戏的限制。有太多的可能性可以用蛮力来探索。伊凡Korendovych他的实验室与日本和比利时的同事一起进行了这项新研究。他说，你可以把它想象成在世界各地随机寻找金矿，而不是只在克朗代克岛(Klondike)寻找，在那里你可能真的会找到金矿。

为了寻找一种不同的方法来确定有益的突变热点，Korendovych和他的团队质疑是否需要复杂的计算。相反，他们的工作是基于一种预感，即核磁共振光谱学可以在不需要先验结构信息的情况下揭示热点，并提供一种途径来指导定向进化，通过一系列步骤达到所需的功能酶。

持久战

为了证明他们的直觉是正确的，他们进行了八年的数据收集、处理和定向进化实验。科伦多维奇说，最大的挑战之一是让人们相信这是真的。他说:“我们设计酶已经有一段时间了，但这款产品让一切都变得与众不同。”“一开始，我们自己都不敢相信它的效果如此之好。我们让很多人重复实验，以确保我们没有犯愚蠢的错误。”

该技术通过测量酶与抑制剂结合时的变化来识别热点。这些变化反映在核磁共振光谱中，那些变化最大的信号表明蛋白质中可能发生有益突变的区域。

该团队通过从非酶铁蛋白肌红蛋白中进化出一种名为Kemp消除酶的新酶来演示这种方法，这种酶可以催化测试蛋白质设计的模型反应。人们已经知道，肌红蛋白在取代组氨酸氨基酸时具有与氧结合相关的催化功能。从这种突变形式的肌红蛋白开始，该团队使用NMR将其进化为促进Kemp消除。由此产生的消除酶只需要三次突变，其效率超过了通过计算和生物信息学驱动的定向进化方法设计的蛋白质。

评论说:“这种方法简单而优雅。Adrian Bunzel他在苏黎世的瑞士联邦理工学院通过定向进化制造酶。“结构生物学家已经分析了配体结合如何影响蛋白质很久了。令人兴奋的是，作者有一个天才的想法，把这种方法颠倒过来，并试图问:蛋白质的变化将如何影响配体?”

Bunzel对这种方法的可能性充满热情，但他指出了一个小缺点，即需要首先分配核磁共振谱。邦泽尔解释说:“根据蛋白质的大小和灵活性，这可能需要很长时间。”“然而，一旦任务完成，nmr引导的进化有望促进酶工程和高活性生物催化剂的创造。”

科伦多维奇说:“我们真的希望我们的方法能广泛应用于各种反应领域，包括工业中使用的反应。”“最终，我们认为这将改变游戏规则，它将真正释放定向进化的力量，使酶的单点开发成为可能。”