东莞食品网站建设,themes for wordpress,高端网站制作上海,焦作市网站建设字数 978#xff0c;阅读大约需 5 分钟 在工业应用领域#xff0c;α-半乳糖苷酶在食品加工、动物营养及医疗等方面发挥着重要作用。然而#xff0c;微生物来源的该酶往往存在热稳定性不足的问题#xff0c;限制了其在工业场景中的高效应用。近日#xff0c;来自江南大学的… 字数 978阅读大约需 5 分钟 在工业应用领域α-半乳糖苷酶在食品加工、动物营养及医疗等方面发挥着重要作用。然而微生物来源的该酶往往存在热稳定性不足的问题限制了其在工业场景中的高效应用。近日来自江南大学的团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表最新研究通过多维计算策略成功提升了米曲霉 α-半乳糖苷酶的热稳定性与催化效率为工业酶的分子改造提供了新范式。 结果速览 1. 双策略框架计算工具与分子模拟的协同创新
①策略一多工具整合的突变库设计
利用 ABACUS2、PROSS、DBD2 等计算工具构建突变库通过 Consurf 和 GREMLIN 分析序列保守性结合 FoldX 计算展开自由能变化ΔΔG和 PROSS 的位置特异性评分矩阵PSSM筛选突变位点。最终获得优势突变体A169P其在 pH 4.0、55℃条件下的热半衰期提升 78.52%从 10.57 分钟延长至 18.87 分钟催化效率Kcat/Km提高 52.04%。 图1. 多维计算策略流程图
②策略二分子动力学与机器学习的联合预测
通过 GROMACS 进行 100 ns 分子动力学模拟识别出 50 个高波动位点RMSF0.13结合 Rosetta 的 cartesian_ddg 计算和 SPIRED 机器学习模型SPIRED-Stab/SPIRED-Fitness筛选出 E429I、N380L、T64P 三个稳定变体。其中E429I 和 T64P 的热半衰期分别延长 57.33% 和 41.34%同时催化效率提升 85.25% 和 65.90%。 图2. 分子动力学模拟结果显示高波动位点筛选过程
2. 关键机制结构稳定与催化性能的平衡
① 局部构象优化与疏水作用增强
突变体 A169P 和 T64P 通过引入脯氨酸Pro强化环区刚性减少局部构象波动。例如A169P 位于非催化区域通过稳定酶的催化构象间接提升活性E429I 通过将亲水谷氨酸替换为疏水异亮氨酸促进 C407-C430 二硫键的形成与维持增强整体稳定性。 图3. 突变位点的分子结构分析显示了脯氨酸对环区的刚性作用
②底物特异性与动力学优化
针对 pNPG 和棉子糖两种底物的动力学分析表明A169P 和 E429I 均显著降低米氏常数Km提升底物亲和力。其中E429I 对 pNPG 的(Kcat/Km)提升 85.25%归因于其增加的亲水性表面积SASA改善了溶剂相容性。 图4. 酶-底物复合物的分子动力学模拟对比野生型与突变体的结合稳定性
传统定向进化需筛选大量突变体而本研究通过计算策略将突变库规模从数千缩小至数十个显著降低实验工作量。例如策略一通过多指标过滤保守性评分、ΔΔG-0.5、PSSM≥0将初始 236 个突变精简为 18 个候选最终仅需验证 5 个高潜力突变体。
α-半乳糖苷酶在饲料加工中需耐受高温制粒过程而野生型酶易失活。优化后的突变体在 pH 4.0模拟动物胃肠道酸性环境和 55℃条件下表现出显著稳定性可有效降解大豆粕中的抗营养因子如棉子糖家族寡糖提升饲料消化率。
总结
该研究整合序列保守性分析、分子动力学模拟、机器学习预测等多维计算工具建立了酶分子设计的通用框架。未来结合更多元的算法如深度学习预测蛋白质 - 配体相互作用和实验验证有望进一步加速工业酶的功能优化推动绿色生物制造技术的发展。
