利用半理性和理性策略对酶活性及手性选择性的设计

1、利用半理性和理性策略对酶活性及手性选择性的设计 由于对映异构体之间理化性质和生理活性存在差异 , 手性化合物单体的光学 纯度是生物医药、 精细化工和材料科学等诸多行业的重要标准之一。 以酶介导的 手性化合物的合成法 , 具有立体选择性性高、 反应条件温和等优点 , 是相关领域的 研究热点。而酶的活性和手性选择性作为这种方法的关键因素 , 决定了该方法的效率和 产品的光学纯度。因此, 有必要对酶的活性和手性选择性进行优化 , 以拓展其在手 性化合物合成中的应用。酶工程可以从分子水平上调控酶与底物的相互作用 , 是一种行之有效的优化 酶催化性质的方法。本研究通过半理性和理性的酶工程策略 , 以在手

2、性化合物合 成中应用广泛的酯酶和脱氢酶为研究对象 , 对它们的活性和手性选择性进行设计 优化。首先,在前期对酯酶RspE在扁桃酸甲酯拆分中的手性选择性的定向进化中， 发现手性选择性最优的第四轮突变体 CVH （E 30.8，比活力24卩molmi-1mg-1） 的活性大大低于第二轮突变体 YH （E 8.7,比活力142卩molmin-1mg-1）,出现了 活性与手性选择性负相关变化的现象。本研究针对这一现象 , 采用结构分析与定 点饱和突变相结合的半理性策略 , 经过筛选得到了活性与手性选择性同时保持高 水平的突变体 HMVY（E 36.8, 比活力 113 umolmin-1mg-1）,

3、其手性选择性高于 CVH 并且活性与YH相当，实现了上述负相关现象的平衡。反应动力学分析表明 , 这种活性和手性选择性负相关现象的产生和被平衡是由于提高手性选择性所采取的途径不同造成的。突变体CVH1过大幅度抑制非偏 好型底物的催化效率提高手性选择性 , 因而降低了拆分反应的活力；而突变体HMVY则通过特异性提高偏好型底物的催化效率，在提高手性选择性的同时保持了拆分反应的速率。分子模拟结果验证了反应动力学分析的结果。同时 , 对突变点氨基酸的分析 表明,HMVY中的组氨酸增强了对偏好型底物催化基团的稳定作用 ,同时缬氨酸和 酪氨酸的协同配合改变了偏好型底物的结合位置和方式 ,优化了其结合构象。

4、其后，利用理性设计策略，对酯酶BioH在潜手性3-苯基戊二酸二甲酯的不对 称水解中的手性选择性进行设计。 蛋白-底物复合物的结构分析表明 , 底物中的三 位取代基在蛋白活性位点中的朝向是决定蛋白手性选择性的关键因素。基于这一假设，利用定点突变在蛋白活性口袋中引入与潜在S型底物的苯环产生特异性n- n堆叠作用的芳香族氨基酸，得到了手性选择性显著提高的突变 体L86F,产物S-3-苯基戊二酸单酯的光学纯度由25%(WT提高到了 93%(L86F)。 为了进一步证明以上理性设计策略的有效性和普适性，以酯酶RspE为研究对象，运用同样的思路 , 对其在潜手性 3-苯基戊二酸二甲酯的不对称水解中的手性选

5、 择性进行设计。通过引入芳香氨基酸残基 , 使产物 3-苯基戊二酸单酯的光学纯度由野生型 的13%(S)提高到突变体丫27R的99%(S),同时在不同位点引入该作用还得到了手 性选择性反转的突变体 M121F(50%,R。这一结果不仅证明了该策略的有效性，可 以分别得到S和R型的手性选择性；同时还验证了上述理性设计策略的普适性，可以适用于活性口袋不用的蛋白。此外,本研究还通过理性设计，对D-扁桃酸脱氢酶在R-邻氯扁桃酸的氧化中 的活性进行优化。将关键位点的丙氨酸替换为组氨酸 , 尝试在蛋白和卤代底物之 间引入卤键作用 ,以稳定蛋白底物复合物最终得到的突变体A89H对R-邻氯扁桃酸的活性是野生型的 5倍。