摘要：研究人员开发了一种新的工作流程，用于从头开始设计酶，为更高效，强大和环境上的化学铺平了道路。新方法使设计人员可以将各种理想的特性结合到新的到新的催化剂中，用于从药物开发到材料设计的一系列应用。...

报告科学，加州大学圣塔芭芭拉分校，加州大学群岛分校和匹兹堡大学的研究人员开发了一种新的工作流程，用于从头开始设计酶，为更高效，强大和环境上的良性化学铺平了道路。新方法使设计人员可以将各种理想的特性结合到新的到新的催化剂中，用于从药物开发到材料设计的一系列应用。这项研究是UCSF的Degrado实验室，UCSB的Yang实验室和匹兹堡大学的Liu Lab之间的合作努力的结果。

该论文的高级作者Yang Yang教授Yang Yang说：“如果人们可以从头开始设计非常有效的酶，您可以解决许多重要的问题。”例如，从头设计酶可以克服在自然催化剂中发现的功能和稳定性的局限性，而不会失去其固有的选择性和效率。

“对于基本研究，化学家和生物学家长期以来一直希望能够从头开始设计酶。”

定制蛋白催化剂

生物和合成的催化剂是化学的主力。他们负责实现和加速改变目标分子结构的反应。根据杨的说法，特别是酶是“自然的特权催化剂”，因为这些蛋白质在催化反应中具有的选择性和效率水平。

但是，天然酶在狭窄的条件下倾向于起作用，在某些环境中仅有利于某些分子。为了将生物催化的力量带入更多的分子，科学家正在转向从头蛋白质设计，这是一种自下而上的方法，它使用氨基酸构建块来创建具有特定结构和功能的蛋白质。相对于大多数酶，从头蛋白的大小相对较小。它们出色的热和有机溶剂稳定性可以允许更广泛的温度和多达60％的有机溶剂，并且有可能使用各种辅助因子，包括在自然界中发现的辅助因子，以进一步优化所需结果的蛋白质。

“因此，在这里，与Bill Degrado在Pitt的小组和Peng Liu的小组合作，我们有一个工作流程，可以将非常简单且微型的螺旋束蛋白转换为非常有效且非常有选择性的酶来催化合成有用的反应，” YANG对研究人员的证明概念性的证明。根据Yang的说法，该项目需要使用从头蛋白质设计来创建可以形成碳碳或碳硅键的酶，根据Yang的说法，“缺乏有效的天然酶”。

然后，他们使用螺旋束蛋白作为框架，然后使用最先进的人工智能方法来设计具有所需功能和特性的蛋白质结构构成的氨基酸序列，以将束变成酶。

杨谈到最初的结果时说：“较早的变体是合理的催化剂，但不是最好的催化剂，因为效率和选择性是适度的。”基于所得蛋白质的X射线晶体学，他们在本来应该是组织良好的螺旋中的结构中发现了一个“混乱的环”。这次使用循环搜索算法的第二轮设计导致了10种具有高活性和出色立体选择性的设计中的4种。

杨说：“换句话说，尽管基于AI的蛋白质设计方法非常有用，但要拥有非常好的催化剂，我们仍然必须使用内部算法和我们的化学直觉以正确的方式完成所有操作。”

该项目的成功表明，从头蛋白质设计可以是催化中的强大工具，可以使化学家更有效，有选择性反应，以及与天然酶或小分子合成催化剂不那么容易达到的产品。

杨说：“如果您真正了解设计原理，那么您可以构建蛋白质催化剂，以使用您想使用的任何辅助因子，并像反应介质一样实现水，最绿色的溶剂的具有挑战性的转变。”

与Degrado Lab和Liu Lab合作，在杨实验室的进一步工作将涉及探索模仿自然酶功能的方法，以更简单，较小但同样活跃的从头酶，并生成从自然界中未知机制运行的从头运行的新酶。

本文的研究是由Kaipeng Hou，Wei Huang，Miao Qui，Thomas H. Tugwell，Turki Alturaifi，Yuda Chen，Xingjie Zhang，Lei Lu和Samuel I. Mann进行的。