通过核心疏水性实现蛋白质稳定性的结构导向工程

《Protein Science》：Structure-guided engineering of protein stability through core hydrophobicity

工程耐热蛋白开发通过优化疏水核心结构，利用算法预测氨基酸替换并实验验证，使NEDD8蛋白熔点提升17°C且功能不受影响。

摘要

设计具有热稳定性的蛋白质对于工业和生物医学应用具有重要意义，因为提高热稳定性可以增强蛋白质的构象稳定性、延长其功能半衰期，并在较高温度下提高催化效率。我们研究了通过改变埋藏的烃链长度来提高蛋白质的热稳定性。通过有针对性的氨基酸替换来优化蛋白质的疏水核心结构，旨在减少内部空隙并改善核心区域的堆积情况。为此，我们开发了一种算法，该算法用更长或更庞大的疏水侧链替换埋藏的疏水残基。该算法计算每次替换后的蛋白质 unfolding 自由能（ΔG），仅选择那些能显著提高稳定性的构象。为了保持蛋白质的功能，功能性重要的残基和接触网络被排除在突变范围之外。我们将这种方法应用于几种属于 beta-grasp 折叠结构的蛋白质。作为实验验证，我们选择了 NEDD8——一种溶解度低且热稳定性差的 beta-grasp 蛋白质。根据我们的算法预测的两种微妙替换使 NEDD8 的热稳定性提高了 1.7 kcal/mol，并使其熔点上升了 17°C。分子动力学模拟（MD）和核磁共振光谱（NMR）分析显示，蛋白质的构象波动减少，稳定性相互作用（如氢键和静电作用）增强。功能检测证实，这些替换并未影响 NEDD8 的整体折叠结构或其与辅因子和酶的相互作用。这些结果证明了通过调整埋藏的疏水残基来提高蛋白质稳定性的有效性，同时不会损害其功能。这一策略可以作为设计用于工业或生物医学应用的稳健治疗性蛋白质和酶的通用方法。

利益冲突声明

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数据可用性声明

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