近日，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所微生物与酶工程科技创新团队基于“进化门控”理念的ESTEEM 策略，揭示了酶隧道调控机制，开辟了高效生物催化的新路径。相关研究成果以封面文章发表在《ACS 催化（ACS Catalysis）》。
揭示酶的催化规律并构建高效的生物催化体系，是酶工程领域长期面临的核心科学挑战。尽管定向进化、理性设计与人工智能等策略不断发展，但准确预测突变对酶活性与稳定性的影响仍是亟待突破的关键问题。本研究系统提出并验证了基于“进化门控”理念的 ESTEEM（Evolutionary-Structural Tuning of Enzyme Efficiency Modules）策略。研究人员以细胞色素 P450 单加氧酶为模型体系，将蛋白质的“进化守恒”信息与三维结构特征相结合，建立了一套进化-结构耦合设计框架。多维时间尺度计算分析揭示了“隧道突变—构象动态—催化效率”之间的内在联系，明确了酶隧道结构在进化与功能优化中的关键作用。该策略的提出，为具有深埋活性中心的酶提供了一种可推广的理性设计思路，为高效生物催化体系构建开辟了新方向。
研究人员基于 ESTEEM 策略对大豆苷元3′羟化P450酶的关键结构区域进行了系统优化。通过整合进化信息与结构特征，建立了标准化的酶设计流程，在底物隧道与活性口袋区域识别出影响催化效率的关键“门控”位点。研究发现，隧道区域的突变显著改善了底物迁移路径与产物释放效率，实现了酶活性与稳定性的协同提升。配体运输效应与结构动态分析进一步揭示了隧道构象优化与催化性能提升之间的耦合关系，并提出了“柔性支架刚性化、刚性支架柔性化”的结构调控机制。该策略不仅显著提升了 P450 酶的催化性能，也拓宽了其对多种黄酮类化合物的底物适应性。为验证 ESTEEM 的普适性，研究人员将该策略推广至多种 P450 同源酶体系，结果均表现出活性提升。
该研究不仅揭示了“进化门控”在酶催化调控中的关键作用，也为具有埋藏活性中心的酶提供了新的理性设计路径，为高效生物催化剂的构建及高附加值饲料功能因子的绿色生物合成提供了重要理论与技术支撑。
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所博士生董如月为第一作者，王亚茹副研究员和涂涛研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03170
