催化能力提高 3.5 倍！中科院团队基于扩散模型，开发 P450 酶从头设计方法 P450Diffusion...
内容提要
中国科学院天津工业生物技术研究所的新酶设计团队开发了一种基于扩散模型和口袋设计原则的P450酶从头设计方法P450Diffusion。该方法通过解析P450酶黄酮6-羟化酶的口袋设计原则，生成了比自然界P450酶活性更好、稳定性更高的新酶。研究结果表明，P450Diffusion能够捕捉催化口袋的基本设计原则，并从P450酶序列空间中筛选出比天然序列更好的P450酶。这一方法有望在生物工程和工业催化等领域发挥作用，并推动新型酶的开发和应用。
延伸解读
从自然进化到人工智能设计
传统定向进化依赖多轮随机诱变和高通量筛选，难以详尽探索蛋白质序列空间。P450Diffusion 结合知识驱动的口袋设计原则与深度学习扩散模型，通过分析天然 P450 酶的功能创新机制，实现了从序列空间中有针对性地生成新酶，为酶工程提供了新范式。
三点固定原则：设计的关键约束
研究提出 P450 酶底物结合的“三点固定原则”，即通过 T114 固定底物 4’-OH、F123 和 M248 的 π 堆积固定 B 环、以及 CpdI 铁-氧基固定 7-OH，将底物锁定在近反应构象。这一原则被嵌入扩散模型的约束生成中，确保生成序列保留催化所需的关键相互作用。
实验验证与催化提升
研究人员从 6 万个生成序列中虚拟筛选出 17 个进行实验验证，其中 10 个在酵母中表现出 F6H 活性，6 个的催化能力比天然 CYP706X1 提升 1.3 至 3.5 倍。这些设计序列与天然酶有 70% 至 87% 的同一性，表明模型能生成结构相似但功能更优的非天然酶。
局限与未来方向
尽管 P450Diffusion 在 F6H 功能设计上取得成功，但其普适性仍需在更多 P450 酶家族和反应类型中验证。此外，模型依赖已知的催化口袋设计原则，对于机制未知的酶可能受限。未来结合更广泛的功能数据和实验反馈，有望进一步拓展其应用范围。
Q&A
P450酶的从头设计方法P450Diffusion有什么创新之处？
P450Diffusion结合了扩散模型和口袋设计原则，能够生成比自然界P450酶活性更好、稳定性更高的新酶，催化能力提升了1.3至3.5倍。
P450酶在生物催化中有什么重要作用？
P450酶是自然界中最通用的生物催化剂，能够催化超过95%的氧化还原反应，并在温和条件下选择性氧化惰性碳-氢键。
P450Diffusion模型是如何构建的？
P450Diffusion模型通过筛选226,509个P450酶序列作为训练数据集，结合深度学习和催化口袋设计原理进行构建。
研究中提出的三点固定原则是什么？
三点固定原则是指催化口袋中与底物芹菜素的三个关键相互作用，确保底物在反应位点的正确定位，从而促进催化反应。
P450Diffusion方法在未来的应用前景如何？
P450Diffusion方法有望在生物工程和工业催化等领域发挥重要作用，推动新型酶的开发和应用。
如何验证P450Diffusion生成的新酶的活性？
研究人员通过在酵母表达系统中合成和测试17个设计，发现其中10个设计具有显著的F6H活性，催化能力显著提高。
