从零开始设计“剪刀酶”

这篇论文关注从头设计人工酶这一难题。连接氨基酸形成蛋白质骨架的肽键（酰胺键）水解能垒很高，在中性水溶液中能稳定存在数百年，因此过去的从头设计酶多停留在低能垒模型反应，难以真正切割肽链。研究团队用计算方法设计了一批半胱氨酸蛋白酶，让活性中心里的半胱氨酸在组氨酸等残基协助下被活化，形成能攻击肽键的亲核中心，并按特定氨基酸序列切开多肽主链。69个设计中13个显示活性，成功率约19%；与无酶背景反应相比，催化速率最高可提升约3000万倍。这些设计蛋白酶的结构与自然蛋白酶差异很大，结构相似性指标TM score低于0.50，说明它们不是对天然结构的简单模仿。同时，6个实验晶体结构与设计模型非常接近，Cα均方根偏差小于1.2埃，显示设计方法具有较高精度和可重复性。进一步实验和计算表明，设计酶与最活跃的天然半胱氨酸蛋白酶相比仍有差距，主要原因可能是活性中心在反应前没有完全预组织到位，底物结合位置和催化基团距离还不够理想。论文图1至图5分别展示计算设计与实验测试流程、酶活性结果、结构表征、活性中心预组织与底物定位对催化的贡献，以及在哺乳动物细胞中的功能验证。研究人员还证明，这些人工蛋白酶能在哺乳动物细胞内高效切割目标蛋白，意味着它们可用于活细胞中的蛋白加工、信号调控和合成生物学电路构建。本研究的晶体结构数据已公开于RCSB蛋白数据库，登录号包括9YNL、9YNM、9YOX、9YOY、9YOZ和9YP0；设计分析代码也在GitHub上公开。