如何用计算机设计能分解金属的酶

金属水解酶在生物学中通过结合的金属离子激活底物待断裂键附近的水分子，催化一些最困难的水解反应。目前，设计新的金属水解酶对于降解人类产生的环境污染物具有重要意义，因为自然界尚未进化出高效水解这些污染物的酶。蛋白质工程虽已扩展了金属水解酶的底物范围，但通常需要初始的混杂活性；而从头酶设计生成的金属水解酶活性和效率较低，需大量定向进化才能接近天然酶水平。

为解决这些问题，研究人员开发了一种生成式人工智能流匹配模型RFdiffusion2。与只能支架主链水平基序的RFdiffusion不同，RFdiffusion2支持原子亚结构支架（可指定任意原子水平的功能基团位置，无需完整侧链和主链构象）和序列位置无关支架（无需指定催化残基的序列位置），通过流匹配和训练时引入随机天然原子坐标，实现了对催化残基序列位置和构象的全面采样，避免了RFdiffusion需显式枚举的局限。

研究人员首先以量子化学计算的锌金属水解酶活性位点（理论酶模型）为起点，使用RFdiffusion2生成蛋白质支架，结合ProteinMPNN生成序列，经AlphaFold2结构预测和PLACER活性位点预组织评估，筛选出96个设计进行实验。首轮实验中，86个设计可溶表达，5个活性显著，其中最活跃的ZETA_1催化效率（kcat/KM）达16,000 M⁻¹s⁻¹，远超以往设计。ZETA_1依赖锌离子激活水分子，活性位点预组织良好，底物定位精确，可水解超过1000个底物分子，且加热后能复性。

基于首轮结果，第二轮设计使用含催化碱的理论酶模型和改进版RFdiffusion2，生成96个设计，85个可溶表达，11个具锌依赖性活性。其中ZETA_2的kcat/KM达53,000 M⁻¹s⁻¹，kcat为1.5 s⁻¹，接近经10轮定向进化的酶活性。ZETA_2的晶体结构（3.5 Å）与设计模型高度一致（主链Cα RMSD=1.1 Å），催化残基按设计几何预组织。

结论表明，RFdiffusion2-PLACER方法无需实验优化即可生成高活性金属水解酶，其催化效率达天然酶水平。该方法通过原子级功能基团支架和序列位置无关采样，突破了传统设计局限；PLACER对活性位点预组织的评估可有效筛选高活性设计。未来优化催化碱位置、金属结合残基预组织和氧阴离子稳定，有望进一步提升活性至天然酶水平，为各类化学反应生成高效催化剂提供广泛应用前景。