テルペン修飾のための酵素工学の進展
研究者たちが複雑な有機化合物の合成のために酵素のパフォーマンスを向上させた。
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目次
酸素機能化反応は、複雑な有機化合物を作るのに重要だよ。これらの反応は、分子の特定の部分、例えばC-H結合やアルケンを修正することに関係してるんだ。これらの反応を助ける有望なオプションの一つが、真菌非特異的ペルオキシゲナーゼ(UPO)っていう酵素なんだ。UPOは、さまざまな有機化合物と仕事できる能力があって、発見以来注目を集めてる。
UPOの利点
UPOには、似たような機能を持つ他の酵素と比べていくつかの利点があるよ。P450酵素と違って、UPOはより安価で扱いやすい形の過酸化水素を使えるんだ。それに、安定性があって、いろんな種類の有機分子を扱えるから、大量の生成物を作るのがとても効率的なんだ。研究者たちは、これらの酵素を遺伝子を変えて性能を向上させる進展も遂げてる。
指向進化の課題
酵素を改善する伝統的な方法、指向進化って言うのは、酵素のDNAにランダムな変更を加えて、どの変更がより良い結果を出すかを見る方法なんだ。この方法でいくつかの改善があったけど、時間がかかるし、たくさんの作業が必要なんだ。それに、いろんな基質に対して常に利益が生まれるわけじゃないんだよね。
スマートライブラリの活用
これらの問題に対処するために、研究者たちは「スマート」ライブラリを使い始めたんだ。このライブラリは、酵素の構造や働きについての情報を使って、テストする酵素のバリアントを選ぶのをガイドするんだ。何千ものバリアントをテストする代わりに、数百に絞ることで、時間と労力を節約できるんだ。
テルペンに注目
この研究では、研究者たちは小さなテルペンに注目したんだ。テルペンは自然産物の重要なクラスで、医学や香料、風味付けに使われてるんだ。でも、化学的なプロセスで修正するのは難しいことが多くて、反応が起こる可能性のある似たようなサイトがたくさんあるんだよね。酵素の方が、化学的手法よりもこれらの反応をうまく管理できるんだ。
MthUPOのバリアント設計
MthUPO酵素のモデルから始めて、研究者たちは50種類の異なる酵素バリアントを作ったんだ。酵素の反応を触媒する能力を高めるために、特定のデザイン技術を使ったんだ。すべてのデザインが成功裏に酵母から発現されて、さまざまな基質に対する効果をテストすることができたんだ。
バリアントのテスト
研究者たちは、これらのバリアントの活性を、柑橘系の香りで知られるゼラニオールやネロールを含むいくつかのテルペンでテストしたんだ。さらに、酵素活性を測るのに日常的に使われる標準基質も含めたんだ。初期テストでは、ほとんどのバリアントが野生型酵素と比べて改善された活性を示したんだ。
活性の大幅な向上
設計された多くのバリアントは、反応を触媒する能力が大幅に向上したんだ。例えば、特定のバリアントは元の酵素と比べて活性が最大で2000倍も跳ね上がったんだ。これは、デザインプロセスを通じて行われた修正が酵素の性能を大きく向上させたことを示してる。
生成物選択性の変化
活性の向上に加えて、バリアントは生成物の結果にも変化を示したんだ。例えば、元の酵素は主に1つのタイプの生成物を生成してたけど、いくつかのバリアントはもっと望ましい異なる生成物を生成することができたんだ。この選択性の変化は重要で、特定の化合物を生成できるから、さまざまな用途でより役立つんだ。
FuncLibの可能性
スマートデザイン手法であるFuncLibは、これらの改良された酵素バリアントを作るのに特に効果的だったんだ。FuncLibを使うことで、研究者は酵素の活性部位内での変更の組み合わせを生成できて、安定性を損なわずに活性を向上させることができるんだ。この方法は、従来の方法では見つからないかもしれない新しい配列や活性を発見する可能性も示してる。
改善の分子基盤
これらの変化がどうして改善に繋がったのかを理解するために、研究者たちはコンピューターモデルを使って酵素の挙動をシミュレーションし分析したんだ。これらのモデルは、異なる基質分子が酵素とどのように相互作用するか、そして反応結果に影響を与える要因を明確にするのに役立ったんだ。これらの相互作用を理解することで、研究者たちはさらに酵素デザインを洗練させて、より良い性能を目指すことができるんだ。
結論
この研究は、現代のタンパク質工学技術が合成化学の分野を進展させる可能性を示してるんだ。計算的方法と従来の実験アプローチを組み合わせることで、研究者たちは活性が高く、選択性に富んだ酵素を生成できるんだ。改良された酵素を効率的に作成できるこの能力は、製薬や香料などのさまざまな産業で貴重な化合物を生産する新しい可能性を開くんだ。この成果は、酵素工学の力だけでなく、現代の計算技術と実験的努力を組み合わせて化学反応のためのより良い触媒を開発する影響も示してるんだ。
タイトル: A computationally designed panel of diverse and selective peroxygenases for terpene oxyfunctionalization
概要: Enzyme engineering has a critical role in the transition to economical, low-energy and environmentally friendly chemical production. Current approaches relying on costly iterations of mutation and selection are limited to reactions with a straightforward experimental readout and struggle to address mutational epistasis. We focus on unspecific peroxygenases (UPOs), prized engineering targets due to their ability to oxyfunctionalize diverse organic molecules of industrial and environmental value. To address the lack of scalable screening for UPO functions, we applied enzyme-design calculations to focus experiments. Starting from an AlphaFold2 model of MthUPO, the automated FuncLib algorithm generated 50 diverse active-site multipoint designs--all of which were functional. Screening against nine diverse terpenes revealed large improvements and new oxyfunctionalization products, resulting in molecules of high pharmaceutical and industrial value. This work demonstrates that computational design can overcome the shortcomings of traditional enzyme engineering and accelerate the urgently needed green transition of the chemical industry. BIGGER PICTUREEnzymes enable energy- and resource-efficient chemical reactions and are key players in the drive to a sustainabil chemical industry. But natural enzymes are seldom optimized for industrial use, demanding optimization by enzyme engineers. Traditional enzyme-engineering approaches, however, are typically time-consuming, costly and struggle to address the complexity of implementing multiple mutations in an enzyme active site. To address these challenges, we apply AI-based structure modeling and computational design calculations to the active site of an enzyme belonging to the unspecific peroxygenase (UPO) family, which are highly prized in the synthesis of valuable flavor, fragrance, and medicinal molecules. Strikingly, the 50 active-site designs we tested were all highly functional and many exhibited different activity profiles and the production of commercially valuable molecules. This work demonstrates that computational design can complement traditional methods for enzyme engineering to accelerate the urgently needed green transition of the chemical industry. HIGHLIGHTSO_LIOne-shot computational design of 50 functional UPO designs C_LIO_LIDiverse oxyfunctionalization products of different terpene substrates C_LIO_LIRemarkable improvement in activity, regio-, chemo- and enantioselectivity C_LIO_LIValuable production of commercially relevant molecules C_LI O_FIG O_LINKSMALLFIG WIDTH=200 HEIGHT=200 SRC="FIGDIR/small/615329v1_ufig1.gif" ALT="Figure 1"> View larger version (45K): [email protected]@17ed1b2org.highwire.dtl.DTLVardef@f90824org.highwire.dtl.DTLVardef@18590b4_HPS_FORMAT_FIGEXP M_FIG C_FIG
著者: Judith Münch, Jordi Soler, Sarel J. Fleishman, Marc Garcia-Borràs, Martin J. Weissenborn
最終更新: 2024-09-28 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.27.615329
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.27.615329.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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