中国农科院姚斌团队涂涛组合作Adv Sci｜酶热稳定性的新见解:“短板”理论和Zero-Shot Hamilton模型

主要观点总结

本文介绍了中国农业科学院北京畜牧兽医研究所和杭州力文所的研究团队合作，在酶工程领域的一项新研究。该研究提出了一个名为“短板”理论的新概念，用于解释蛋白质热稳定性的限制因素，并建立了基于热稳定性和深度学习的协同进化方法的新的热稳定性设计与预测模型——Zero-Shot Hamilton (ZSH)。通过以α-淀粉酶为例，验证了“短板”理论，并展示了ZSH模型在提高酶热稳定性方面的潜力。

关键观点总结

关键观点1: 研究团队提出了一个名为“短板”理论的新概念，将蛋白质概念化为木桶，每个成分代表一个长短不一的板，木桶的最短板是限制酶的热稳定提升的限制因素。

为了验证这一理论，研究团队利用具有多个结构域的重要工业酶种α-淀粉酶作为模型酶，利用结构域置换的方法在结构域、残基和原子水平上证实了“短板”的存在及其对热稳定性改善的影响。

关键观点2: 研究团队以α-淀粉酶为研究对象，建立了一种新的热稳定性设计与预测模型——Zero-Shot Hamilton (ZSH)。这种模型在应用于具有固定短板的酶时表现出显著的成功。

为了应对确定蛋白质的结构短板弱点后有效选择有益突变位点的挑战，研究团队从进化原理中汲取灵感，开发了ZSH模型。该模型以MSA Transformer的蛋白质语言模型作为主模块，通过广泛的双点虚拟饱和突变，选择了哈密顿分数最低的突变体进行进一步的实验验证。

关键观点3: 研究团队通过一系列实验验证了“短板”理论，以α-淀粉酶为例，展示了如何提高酶的热稳定性。他们选择了两种在序列和热稳定性上具有显著差异的酶来验证B结构域在蛋白质结构中的关键作用。

通过对比实验，发现B结构域的变异最大，具有潜在的脆弱性，因此被认为是可能的“短板”。通过结构域交换和热力学稳定性的评估，验证了B结构域在热稳定性方面的关键作用。

关键观点4: 该研究得到了一些重要的发现。例如，mesoAMY-B的T m值显著增加，而thermoAMY-B的T m值降低。这些结果支持了研究人员关于B结构域对增强α-淀粉酶热稳定性的重大贡献的假设。此外，研究团队还通过开发ZSH模型，将进化洞察与基于NLP的人工智能相结合，提高了选择有益突变位点的效率和准确性。

这些发现对于理解蛋白质热稳定性的机制以及开发更高效的酶工程方法具有重要意义。

文章预览

01 遇见/摘要 了解天然稳定酶的热稳定机制，提高不稳定酶的热稳定性是酶工程研究的重要内容。尽管各种工程方法得到了发展，包括定向进化、理性设计、计算机辅助设计和人工智能在内的各种策略，然而准确预测突变对蛋白质热稳定性的影响仍然是一个持续的挑战。 近日，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 涂涛 研究员和杭州力文所 王浩博 博士团队合作，于 Advanced Science 在线发表研究论文 “ Novel Insights into Enzymatic Thermostability: The “Short Board” Theory and Zero-Shot Hamiltonian Model ” 。 该研究提出了一个 “ 短板 ” 理论的新概念，该理论将蛋白质概念化为木桶，每个成分代表一个长短不一的板，木桶的最短板是限制酶的热稳定提升的限制因素。为了验证这一理论，利用具有多个结构域的重要工业酶种 α- 淀粉酶作为模型酶。利用结构域置换的方法 ………………………………