基于羰基还原酶ChKRED20晶体结构的双向底物步移

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21708038
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0705.生物合成化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Reduction of prochiral ketones catalyzed by ketoreductases is one of the most efficient methods to obtain chiral alcohols. In the previous study, the ketoreductase ChKRED20 with independent intellectual property rights was obtained by our group, which followed anti-Prelog rule and preferred NADH to NADPH as the coenzyme. Most significantly, the ChKRED20 can utilize 2-propanol as a cheap co-substrate to regenerate reduced cofactor efficiently, with excellent activity. And we had successfully screened mutants of ChKRED20 with enhanced activity and thermostability through directed evolution strategy. In order to expand its application, we intend to further carry out molecular evolution based on the structure of the enzyme and enzyme/substrate complex. By analysis of the results from experiments and substrate simulation docking, the key amino acid residues related to the catalytic activity, substrate acceptance, stereoselectivity and stability of the enzyme, etc, will be disclosed. With modification on these hot pots, it aims to improve the ability of the enzyme to accept macroligand substrate, expanding the substrate spectrum. And on the other hand, shrink the substrate acceptance of the enzyme, retaining its ability of NADH-self cycling, which can be used as a tool for coenzyme cycling. By the strategy of substrate walking in two directions, a series of mutant enzymes will be obtained, which can enrich the functional base library. And the study on the relationship between protein structure and function will provide useful information for the rational design on other carbonyl reductase.
羰基还原酶生物催化是合成手性醇的重要方法之一。本课题组前期获得了自主知识产权的羰基还原酶ChKRED20,该酶遵循anti-Prelog规则,依赖NADH为辅酶,能以异丙醇为辅底物实现还原型辅酶的循环,具有良好的催化活性。经初步改造获得了耐热性和活力提高的突变子。为进一步拓展该酶的应用,我们拟对该酶进行深度改造。通过解析该酶及酶/底物复合物的晶体结构,深入了解催化功能域,以底物模拟对接等手段识别空间结构上与催化活力、底物接纳、立体选择性以及稳定性等相关的关键氨基酸残基,并对这些位点进行多轮改造。一方面,提高该酶接受大位阻底物的能力,拓展底物谱;另一方面,我们拟将该酶进行缩小底物谱的反方向进化,但保留其NADH自循环能力,将其发展成为辅酶循环的工具酶。本项目通过这种底物双向步移策略,将获得一系列突变体酶,丰富功能性基础酶库,同时蛋白结构与功能关系的研究也将为其他酶的理性设计提供有用信息。

结项摘要

羰基还原酶生物催化是合成手性醇的重要方法之一。自主知识产权的羰基还原酶ChKRED20具有良好的酶学性能。为了进一步拓展该酶的应用范围,我们基于该酶的晶体结构对其进行了理性/半理性的深度改造。首先,我们将羰基还原酶ChKRED20和ChKRED20/NAD+复合物进行结晶并解析了晶体结构。根据结构信息,以野生型酶不能催化的底物邻氯苯乙酮进行分子对接,利用丙氨酸扫描识别了关键位点H145A和M201A,结合底物催化口袋的出入口的改造,经多轮突变获得了一系列底物谱大幅度拓展的突变体酶(30余个),极大地拓展了该酶催化邻氯苯乙酮、2,4-二甲基苯乙酮等底物的能力。其次,通过重构底物结合口袋以扩大口袋体积和扩大底物/产物进出通道两个思路,识别了重要位点Q97L和S153L,并根据不同底物分子对接模型识别了其他位点,显著提高了该酶催化α-取代的苯乙酮类底物、α-及b-芳基酮酯类以及双芳基酮类等大位阻底物的能力。.另一方面,我们以反向思维减少底物结合口袋体积、增大位阻,获得了突变体I93H/G94L,该突变体缩小了催化底物范围但保留了异丙醇辅酶循环能力,通过偶联,使TtADH催化2-氧代-4-苯基丁酸乙酯的能力提高了1.5倍。.通过上述对ChKRED20酶的扩大和缩小底物范围的改造,实现了底物的双向步移。本项目不仅有效拓展了该酶的底物范围,获得一系列具有新的催化功能且有应用潜力的突变子,丰富了功能性基础酶库,而且获得的工具酶可以应用到需要NADH辅酶的偶联反应中。同时蛋白结构与功能关系的研究有助于进一步理解此类酶的催化机理,也将为其他羰基还原酶的理性设计提供新的视角。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Enhancing the thermal stability of ketoreductase ChKRED12 using the FireProt web server
使用 FireProt Web 服务器增强酮还原酶 ChKRED12 的热稳定性
  • DOI:
    10.1016/j.procbio.2020.11.018
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Process Biochemistry
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Yan Liu;Zi-Yi Li;Chao Guo;Can Cui;Hui Lin;Zhong-Liu Wu
  • 通讯作者:
    Zhong-Liu Wu
Structure-guided engineering of ChKRED20 from Chryseobacterium sp. CA49 for asymmetric reduction of aryl ketoesters
Chryseobacter sp. ChKRED20 的结构引导工程。
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    ENZYME AND MICROBIAL TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Li, Tong-Biao;Zhao, Feng-Jiao;Wu, Zhong-Liu
  • 通讯作者:
    Wu, Zhong-Liu
生物催化不对称还原制备(R)-1-[3,5-二(三氟甲基)苯基]乙醇研究进展
  • DOI:
    10.19675/j.cnki.1006-687x.2019.10019
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    应用与环境生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘艳;裴小琼;崔璨;丁照云;吴中柳
  • 通讯作者:
    吴中柳
定点突变提高羰基还原酶ChKRED03的热稳定性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    应用与环境生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘艳;杨玉洁;李孜一;李同彪;吴中柳
  • 通讯作者:
    吴中柳
运用BioBrick组装策略共表达CYP108N7及其氧化还原伴侣
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    应用与环境生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    丁照云;郭超;刘艳;吴中柳
  • 通讯作者:
    吴中柳

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  • 作者:
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其他文献

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刘艳的其他基金

基于祖先序列重构的D-氨基酸解氨酶的新酶设计及分子进化
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    面上项目
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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