ESTEEM策略：通过酶隧道的进化途径革新酶催化作用

《ACS Catalysis》：ESTEEM Strategy: Revolutionizing Enzymatic Catalysis through the Evolutionary Gateway of Enzyme Tunnels

酶工程效率提升策略研究。通过进化与结构分析发现P450酶活性位点关键非保守残基I67和Q83突变可增强催化效率106倍并拓宽底物范围，其机制源于刚性-柔韧性平衡调控的隧道结构稳定性。实验验证了ESTEEM策略的有效性，为深入酶工程提供新框架。

　　

阐明酶的行为并设计出高效的生物催化剂仍然是生物催化领域的基本挑战。尽管在酶工程方面取得了进展，但仍有很大的优化空间。本文提出了“酶效率模块的进化-结构调控”（ESTEEM）策略，该策略结合了进化原理与结构支架分析来加速酶的设计过程。以细胞色素P450单加氧酶（P450s）为例——这类酶具有深埋的活性位点和复杂的底物通道——我们发现了底物通道中的关键非保守残基（I67和Q83）。这些位于通道远端的残基对通道结构具有决定性影响，对其进行的突变显著提高了催化效率。最优的双突变体在保持稳定性的同时，使总转化数提高了106倍，并且扩大了底物范围。通过适应性分子动力学模拟和氢-氘交换质谱分析，我们揭示了一种由通道介导的调控机制：不同突变体与野生型之间的活性差异取决于支架的刚性-柔性平衡，这种平衡通过稳定通道几何结构来调节催化效率。实验验证和回顾性分析证实了ESTEEM策略的可靠性。本研究展示了如何通过通道突变来稳定底物传输路径从而增强催化作用，为设计专门针对具有深埋活性位点的底物的酶提供了框架，推动了生物催化和合成生物学领域的发展。