一个计算框架，将蛋白质语言模型与炼金术模拟相结合，用于实现酶的功能增强设计

《Plant Communications》：A computational framework integrating a protein language model with alchemical simulation for gain-of-function enzyme design

　　

摘要

开发具有增强活性和稳定性的工程酶是生物技术的核心目标，然而在优化蛋白质整体适应性和特定底物结合亲和力之间存在着固有的权衡，这带来了重大挑战。在这里，我们提出了ESM-FEP这一计算框架，该框架将经过精细调优的蛋白质语言模型与化学自由能扰动（FEP）技术相结合，以克服这一限制。我们的工作流程采用了参数高效的ESM-2模型进行高通量饱和突变实验，快速识别出能够保持蛋白质适应性的突变。随后，对这些高潜力突变体进行严格的FEP模拟，以精确量化底物结合亲和力的变化。当应用于改造玉米二氧酶ZmHSL1B以改进其对除草剂mesotrione的脱毒能力时，ESM-FEP有效地遍历了突变谱系，并鉴定出了一个四倍体突变体M5（Q140H/Y205F/L332R/K336F）。该突变体的催化效率比野生型酶高出约7倍，这一结果通过体外实验和详细的动力学分析得到了验证。此外，表达这种工程突变体M5的转基因拟南芥（Arabidopsis thaliana）展现出显著增强的除草剂耐受性，从而证明了其在生物学背景下的功能有效性。ESM-FEP框架为功能增强型酶的合理设计提供了一种通用且高效的方法，其在生物催化、生物修复和精准农业等领域具有广泛的应用前景。