分享一篇发表在Science上的文章：Computational design of serine hydrolases，通讯作者是来自华盛顿大学的David Baker教授，他是蛋白质设计领域的领军科学家。

酶设计一直是蛋白设计的重要问题，从头酶设计通常首先指定过渡态周围催化残基的排列方式(theozyme)，随后确定这些活性位点在预先给定的蛋白支架中的位置。然而，固定的蛋白支架限制了实现催化所需几何形状的精度，导致往往需要较多轮实验室进化才能得到理想活性。此外，对于催化多步反应的酶来说，实现活性位点的预组织较为困难。因此需要新的方法来生成具有给定活性位点的蛋白质，并评估它们与反应中每个催化步骤结构的相容性。

酯酶一直是计算酶设计的模型反应。酯酶水解的教科书案例是丝氨酸水解酶(SH)采用的双置换反应机制，其中丝氨酸亲核试剂发生酰化形成酰基酶中间体(AEI)，随后被活化的水分子水解。尽管自然界中发现的SH的机制已经得到了广泛的表征，但目前尚未构建出延伸至自然界中发现的折叠空间之外的SH。

本文作者认为，从头设计SH的缺乏可能是因为复杂水解酶的活性位点与过去研究中使用的蛋白支架之间存在潜在的几何不相容性。作者推断，最近蛋白质从头设计的方法如RFdiffusion可以直接支撑SH活性位点。为了评估催化循环中每个步骤的活性位点预组织情况，作者尝试通过对催化中间体的结构系综进行建模。他们开发了一个深度神经网络，在给定小分子结合口袋或活性位点骨架坐标、氨基酸残基身份和小分子化学结构的情况下生成结合位点的完整原子坐标。作者在PDB的蛋白-小分子复合物上训练了该网络，并命名为PLACER(Protein-Ligand Atomistic Conformational Ensemble Resolver)。通过PLACER，作者发现天然的SH比以前研究设计的系统具有更好的预组织，关键相互作用的形成频率更高，该指标被用于后续设计的评估。

随后，作者尝试设计用于水解4-甲基伞形酮(4-MU)酯的SH。作者提取了QM优化的过渡态结构，并使用RFdiffusion从随机噪声开始构建主链支架，当找到那些与输入的催化残基主链位置几乎完全匹配的支架后，使用LigandMPNN设计序列并迭代循环。此外，作者还使用PLACER评估活性位点中关键的氢键是否形成。经过三轮设计，作者发现“super”和“win”两个设计显示出催化周转，并得到晶体结构的验证，其结构与现有的水解酶没有相似性。作者后续还继续使用迭代和PLACER进一步优化活性设计，并研究了催化活性的结构决定因素，表明活性位点的旋转异构体状态、氢键网络的形成等预组织差异对酶活有重要影响。

总之，本文描述了一种计算方法，通过PLACER对活性位点预组织进行预测，结合RFdiffusion精确定位多个催化残基的能力，设计了具有良好活性的丝氨酸水解酶，并有望扩展到各种新型酶设计上。

本文作者：WFZ

责任编辑：MB

DOI：10.1126/science.adu2454

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adu2454