崔穎璐 吳 邊

中國科學(xué)院微生物研究所 微生物資源前期開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 生理與代謝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101

2000 年，以撥動開關(guān)（toggle switch）與合成振蕩器（synthetic oscillator）為標(biāo)志的基因設(shè)計研究使合成生物學(xué)走進(jìn)了人們視野[1,2]。近年來，隨著合成生物學(xué)的蓬勃發(fā)展，人們很快認(rèn)識到，生物系統(tǒng)可以在定量模型指導(dǎo)下，用“模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化”的組成單元來設(shè)計構(gòu)建人工復(fù)雜系統(tǒng)。其中，生物元件作為合成生物學(xué)三大基本要素之一，對其進(jìn)行深入挖掘和改造已成為合成生物學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。為了方便利用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的“部件”拼裝“機(jī)器”，2003 年，美國麻省理工學(xué)院相關(guān)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室成立了標(biāo)準(zhǔn)生物元件登記庫（Registry of Standard Biological Parts，http://partsregistry.org），收集滿足標(biāo)準(zhǔn)化條件的生物元件。截至 2018 年已有超過 20 000 個生物元件被登記，其中包括啟動子、轉(zhuǎn)錄單元、質(zhì)粒骨架、蛋白質(zhì)編碼區(qū)等 DNA 序列，以及核糖體綁定位點(diǎn)、終止子等 RNA 序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。

天然生物元件來源于自然進(jìn)化，在模塊化、組裝、集成等方面，難以符合特定工程需求。如果將細(xì)胞看成合成工廠，由 DNA 編碼的蛋白質(zhì)和 RNA 等轉(zhuǎn)運(yùn)、調(diào)控、催化基本元件在生命體系中體現(xiàn)出一定的交互性和模塊性。如何讓不同單元之間、單元與途徑和網(wǎng)絡(luò)之間可控、可組裝，是工程化設(shè)計創(chuàng)建生物系統(tǒng)首要面臨的問題。目前，大量已知功能的生物元件并未被標(biāo)準(zhǔn)化，許多元件體現(xiàn)出不兼容性，加之整合過程中的復(fù)雜性和整合后的可變性等因素，導(dǎo)致元件之間不能協(xié)調(diào)一致地工作，效率大幅降低，或無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計功能。因此，設(shè)計具有良好協(xié)調(diào)行為、協(xié)同執(zhí)行功能的生物系統(tǒng)是合成生物學(xué)的一項重大挑戰(zhàn)，也是解決“人造生命”的重要突破口。本文簡要介紹了近年來非催化元件的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹催化元件設(shè)計領(lǐng)域從頭預(yù)測新酶結(jié)構(gòu)的分子優(yōu)化設(shè)計、人工金屬催化酶設(shè)計、底物選擇性重設(shè)計以及酶分子熱穩(wěn)定性設(shè)計 4 個方面的前沿研究進(jìn)展，并綜述了酶分子設(shè)計與工業(yè)生產(chǎn)的跨層次結(jié)合與技術(shù)互融，以期為合成可控、功能特定的人工生物體系提供重要線索，同時有助于推動合成生物學(xué)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)體系與工業(yè)生物過程的互作發(fā)展。

1 非催化元件設(shè)計的研究進(jìn)展

自 2005 年啟動子庫被引入精細(xì)調(diào)控代謝途徑理念后，多種宿主細(xì)胞（如大腸桿菌、酵母菌以及放線菌等）啟動子庫相繼被開發(fā)和被設(shè)計。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，針對特定需求啟動子序列，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及計算機(jī)輔助設(shè)計，人工設(shè)計預(yù)測模型的訓(xùn)練集與測試集回歸相關(guān)系數(shù)可達(dá)到98%[3]。英國劍橋大學(xué)的 Rackham 與 Chin[4]利用篩選法獲得了正交的核糖體 RNA-mRNA 正交對。在細(xì)胞內(nèi)，只有當(dāng)兩者都表達(dá)時，核糖體才能正常地識別特定的 mRNA 而產(chǎn)生功能蛋白。同時，他們還利用不同的正交對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建了更多翻譯水平的邏輯門，為人工設(shè)計與宿主遺傳背景正交的遺傳線路奠定了基礎(chǔ)。

目前，在生物元件方面已完成了多種不同來源的啟動子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)與終止子元件庫的構(gòu)建及預(yù)測設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度跨度大、梯度密集的元件庫。此外，越來越多新穎的元件不斷被開發(fā)，如核酸開關(guān)（riboswitch）、核酸調(diào)節(jié)子（riboregulator）等順式作用元件，以及轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)子（transcription activated-like effector，TALE）、CRISPR/Cas9 系統(tǒng)等反式元件，為代謝平衡優(yōu)化與復(fù)雜遺傳環(huán)路設(shè)計提供了堅實(shí)保障。如果將非催化元件作為“基礎(chǔ)工具”，那么催化元件可看做“功能工具”，對實(shí)現(xiàn)代謝途徑高效運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

2 催化元件設(shè)計的國際前沿進(jìn)展

催化元件是合成生物學(xué)研究中重要的基本生物元件。雖然在人工合成途徑組裝中可以跨物種應(yīng)用天然酶資源來重構(gòu)特定的代謝途徑，但由于自然界的固有催化特征體系，人工合成往往無法滿足合成生物學(xué)的一些特殊要求，如在異源宿主中表達(dá)量低、生理條件不適應(yīng)、上下游酶活性不匹配等。因此，通過對催化元件的人工設(shè)計和組裝來提供具有新功能的元件成為人工合成途徑構(gòu)建的基礎(chǔ)。

目前，利用定向進(jìn)化策略提高催化元件活性、穩(wěn)定性等方面已經(jīng)獲得一定成效。但由于突變體文庫構(gòu)建數(shù)量龐大，并需多輪進(jìn)化，因而定向進(jìn)化策略難以完成對序列空間的全面搜索。除此之外，突變技術(shù)中固有的密碼子簡并性和堿基突變傾向性使突變文庫多樣性受到極大限制。隨著高性能計算技術(shù)發(fā)展，計算蛋白質(zhì)設(shè)計技術(shù)取得了前所未有的發(fā)展，尤其在核心元件酶催化設(shè)計方面發(fā)揮出巨大作用。利用計算蛋白質(zhì)設(shè)計可根據(jù)反應(yīng)特性以及底物結(jié)構(gòu)等特定研究，定向改造催化元件，并建立全面搜索高精度智能化文庫。這極大程度降低了定向進(jìn)化策略龐大突變體文庫所需的材料成本、時間成本及人力成本[5]。2016 年，Nature 雜志發(fā)表了題為《全新蛋白質(zhì)設(shè)計時代來臨》的重要綜述[6]。同年，Science 雜志也將蛋白質(zhì)計算機(jī)設(shè)計遴選為年度十大科技突破之一。2017 年，美國化學(xué)會將人工智能設(shè)計新型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)列為化學(xué)領(lǐng)域八大科研進(jìn)展之首[7]。通過高精度、高效計算模擬技術(shù)，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計極大程度擴(kuò)展了人工改造生命體的應(yīng)用場景，為現(xiàn)代生物制造帶來全新發(fā)展機(jī)遇。針對酶的催化功能特性，目前催化元件的計算設(shè)計研究主要涵蓋基于結(jié)構(gòu)的從頭預(yù)測酶分子及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計，基于催化底物的立體選擇性及位置選擇性設(shè)計，基于金屬催化特性的金屬酶設(shè)計，以及基于功能特性的熱穩(wěn)定性設(shè)計等領(lǐng)域。

2008 年，華盛頓大學(xué) Baker 團(tuán)隊提出從內(nèi)而外的“Inside-out 策略”，并應(yīng)用該策略設(shè)計改造了逆醛醇縮合酶[8]、Diels-Alder 反應(yīng)催化酶[9]、Kemp 消除催化酶[10]等一系列酶。然而，盡管從頭計算新酶設(shè)計已取得一定成功，“Inside-out 策略”依然存在不同層面的缺陷：① 策略中的模型——theozyme，不能完全反映酶催化過程的真實(shí)過渡態(tài)；② 新酶設(shè)計需要將催化活性中心與蛋白質(zhì)骨架進(jìn)行嵌合，而嵌合過程難免會影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；③ 在計算過程中并未考慮長程靜電相互作用及蛋白骨架“誘導(dǎo)-契合”的變構(gòu)影響，經(jīng)過循環(huán)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后獲得的酶分子構(gòu)象非常容易陷入能量勢阱，在相鄰位置可能存在其他極小值。因此，基于“Inside-out策略”設(shè)計的少數(shù)具有預(yù)期功能的新酶分子初始活性相對較低，需要通過進(jìn)一步改造來提高酶學(xué)屬性。

隨著量子力學(xué)和分子動力學(xué)理論及方法學(xué)的發(fā)展，計算精度不斷提升，計算尺度逐步擴(kuò)大，相關(guān)算法的通量、靈敏度、選擇性等也有大幅提高。因而，利用量子力學(xué)/分子動力學(xué)以及大數(shù)據(jù)分析方法可以快速定位特定功能區(qū)和協(xié)同進(jìn)化位點(diǎn)，為合成生物學(xué)功能器件提供大量精確模板和互作模型。在基于“Inside-out 策略”獲得的新酶基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動催化元件活性大幅提升，使酶工程技術(shù)迎來發(fā)展新階段，同時也為發(fā)展符合工程化需求的生物元件設(shè)計提供指導(dǎo)規(guī)律。

2.1 從頭預(yù)測酶分子優(yōu)化設(shè)計

通過分子動力學(xué)（molecular dynamics，MD）模擬、量子力學(xué)/分子力學(xué)（quantum mechanics/molecular mechanics，QM/MM）聯(lián)用方法對酶分子催化機(jī)理分析，以及對蛋白質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步修飾可大幅提高基于從頭預(yù)測方法獲得新酶分子的催化活性。例如，在 Kemp 消除反應(yīng)酶分子設(shè)計中，羧酸基團(tuán)作為廣義堿與非極性底物間相互作用。但是由于羧酸基團(tuán)自由度較大，如果不能準(zhǔn)確計算羧酸基去溶劑化效應(yīng)的能量消耗及熵減，可能使羧酸基團(tuán)失去廣義堿功能從而導(dǎo)致反應(yīng)無法進(jìn)行。Warshel 課題組通過 QM/MM 經(jīng)驗(yàn)價鍵（empirical valence bond，EVB）方法預(yù)測高活性 Kemp 消除反應(yīng)突變體，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較一致，但與實(shí)驗(yàn)速率常數(shù)推導(dǎo)出的能壘的相關(guān)性較弱[11]。Mayo 課題組計算迭代方法，以非活性蛋白質(zhì)支架 HG-1 為起始點(diǎn)計算，迭代校正后獲得的 8 種設(shè)計酶均表現(xiàn)出顯著的催化活性，大幅提高了計算設(shè)計酶分子的成功率[12]。

Diels-Alder 反應(yīng)是雙分子成環(huán)反應(yīng)，自然界中并未發(fā)現(xiàn)能夠催化該反應(yīng)的天然酶分子。2010 年，Baker 研究團(tuán)隊通過“Inside-out 策略”設(shè)計了 84 個可能具有 Diels-Alder 反應(yīng)催化活性的蛋白，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后僅余兩個蛋白（DA_20 和 DA_42）具有 Diels-Alder 反應(yīng)催化活性[9]。隨后，Baker 團(tuán)隊通過 Foldit 在線蛋白質(zhì)折疊游戲?qū)念^設(shè)計的 Diels-Alder 催化酶引入骨架活性以改善骨架結(jié)構(gòu)問題。多名在線貢獻(xiàn)者重塑 DA_20 骨架，使底物與蛋白骨架充分適應(yīng)調(diào)整，從而將 Diels-Alder 催化酶活性提高至少 18 倍[13]。2012 年，Roelfes 課題組在轉(zhuǎn)錄因子 LmrR 孔道末端引入半胱氨酸，共價連接含有鄰菲羅啉或聯(lián)吡啶基團(tuán)的小分子進(jìn)而與 Cu(Ⅱ) 配位，設(shè)計出的人工金屬酶具有 97% 的對映選擇性[14]。

2.2 人工金屬催化酶設(shè)計

金屬酶在原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)中占有重要地位。自 21 世紀(jì)初開始，人工金屬酶設(shè)計迅速發(fā)展，并從水解反應(yīng)等天然催化反應(yīng)擴(kuò)展至碳-碳鍵連接、氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)等非天然酶催化原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。例如，上述的 Diels-Alder 反應(yīng)中，人工金屬酶催化 Diels-Alder 反應(yīng)的立體選擇性和反應(yīng)活性已與化學(xué)催化劑相當(dāng)。此外，相對于天然酶，金屬酶的底物范圍明顯增大[15]。2011 年，Kuhlman 課題組偶然發(fā)現(xiàn)，在同源二聚體界面處計算設(shè)計的 Zn(Ⅱ) 結(jié)合位點(diǎn)可有效催化羧酸酯和磷酸酯水解[16]。隨后，他們在 rabenosyn 蛋白的 Rab4 結(jié)合域引入組氨酸與 Zn(Ⅱ) 配位，該復(fù)合體對 4- 硝基苯基乙酸酯的水解速率提升了 5 個數(shù)量級[17]。除了活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，化學(xué)連接法也是人工金屬酶設(shè)計的可行策略。Rovis 課題組讓生物素 Rh(Ⅲ) 配位復(fù)合物與鏈霉親和素結(jié)合，構(gòu)建出用于活化 C-H 鍵的人工金屬酶，催化速率提升了100 倍，并具有 93% 的對映選擇性[18]。此外，正如 Alexandrova 課題組在綜述中所述，金屬酶進(jìn)化過程除了受反應(yīng)活性等因素影響外，還受金屬可用性和毒性影響[15]。在這些限制因素下，金屬催化劑并非一定達(dá)到其最佳催化性能。因此，利用新型金屬代替固有金屬催化劑改善酶的催化性質(zhì)為金屬酶分子設(shè)計提供了新思路。Itoh 和 Fujieda[19]在分子動力學(xué)模擬的基礎(chǔ)上，利用銅離子取代 β- 內(nèi)酰胺酶的雙鋅離子結(jié)合部分，制備了人工雙銅氧化酶。與野生型 β- 內(nèi)酰胺酶相比，這種銅取代氧化酶的三重突變體催化 4- 叔丁基羧酸酯的 kcat/KM值增加了 87 倍。

2.3 底物選擇性重設(shè)計

酶催化中心的精確空間結(jié)構(gòu)賦予其高度的底物特異性等特點(diǎn)。面對紛繁龐雜的底物譜，從自然界中篩選新酶開發(fā)的速度遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今合成生物學(xué)需求，因此改變酶的底物特異性是計算蛋白質(zhì)設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的方向之一[20]。

2015 年，Baker 課題組通過計算設(shè)計聚甲醛酶，將單碳甲醛分子固定至三碳單元的二羥基丙酮中，從而實(shí)現(xiàn)核心代謝步驟，首次通過催化元件設(shè)計指導(dǎo)新型代謝通路合成[21]。他們以苯甲醛裂解酶（benzaldehyde lyase，BAL）為起點(diǎn)，利用 RosettaDesign 以及 Foldit 重新設(shè)計 BAL 的苯甲醛結(jié)合口袋以增加其對甲醛的特異性，獲得 7 個突變氨基酸組成的聚甲醛酶（Formolase，F(xiàn)LS）。該酶對聚甲醛反應(yīng)的催化效率與原始 BAL 相比增加 100 倍。在甲酸轉(zhuǎn)化為二羥丙酮磷酸鹽途徑中，由甲酸直接還原為甲醛難度很大。為實(shí)現(xiàn)甲酸轉(zhuǎn)化，Baker課題組先將甲酸活化為甲?；?-CoA，降低熱力學(xué)障礙。隨后通過 BRENDA 數(shù)據(jù)庫搜索挖掘能夠?qū)⒓柞；?-CoA 還原為甲醛的?；┟摎涿?，并將乙酰輔酶 A 合酶與?；┟摎涿复?lián)催化甲酸轉(zhuǎn)化為甲醛。通過上述設(shè)計的聚甲醛酶，將甲酸最終轉(zhuǎn)化為磷酸二羥丙酮。這項工作充分證明了酶分子底物重設(shè)計能夠有效引導(dǎo)新型代謝途徑設(shè)計。

2.4 酶分子熱穩(wěn)定性設(shè)計

改善酶熱穩(wěn)定性可提高異源宿主表達(dá)量，提高溫和條件下催化元件活性，并增強(qiáng)酶對嚴(yán)苛工業(yè)條件（有機(jī)溶劑、高溫、極端 pH 值等）的耐受力。在蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性改造方面，使用傳統(tǒng)蛋白質(zhì)進(jìn)化的方法，蛋白質(zhì)熔解溫度的提高通常小于 15℃。而通過對蛋白質(zhì)整體結(jié)構(gòu)的能量計算指導(dǎo)的計算機(jī)設(shè)計方法則可以突破該局限，甚至可以使蛋白質(zhì)的熔解溫度提高超過 35℃ 以上的水平，獲得具有超熱穩(wěn)定性的蛋白[22]。

目前，針對酶分子熱穩(wěn)定性改造已發(fā)展出多種策略和算法，其預(yù)測能量與數(shù)據(jù)庫值擬合程度最高相關(guān)系數(shù)（R 值）可達(dá)到 0.73（Foldx 程序）[23]。Weiss 團(tuán)隊利用 SCADS 策略（Statistical, Computationally Assisted Design Strategy，SCADS）對馬兜鈴烯合成酶進(jìn)行環(huán)境能量打分，檢測氨基酸側(cè)鏈與周圍骨架、側(cè)鏈，以及所在環(huán)境的相互作用[24]。通過環(huán)境能量評估篩選 12 個打分最高的氨基酸進(jìn)行突變，熔融溫度由 38℃ 提升至 83℃。Janssen 課題組通過 FRESCO 策略（Framework for Rapid Enzyme Stabilization by Computational libraries，F(xiàn)RESCO）對檸檬烯環(huán)氧化物水解酶進(jìn)行熱穩(wěn)定性突變體文庫構(gòu)建，通過結(jié)合 10—12 個單點(diǎn)突變，組合突變體的熔融溫度從 50℃ 提高至 85℃，且酶的催化活性增強(qiáng)，半衰期延長大于 250 倍[25]。他們還利用 FRESCO 策略對鹵代烷脫鹵酶（haloalkane dehalogenase）LinB 進(jìn)行熱穩(wěn)定性計算。12 個穩(wěn)定突變疊加導(dǎo)致 LinB 突變體熔融溫度增加 23℃，并且在 60℃ 下半衰期超過 200 倍[26]。此外，為了提高鹵代醇脫鹵素酶（halohydrin dehalogenase）在有機(jī)溶劑中的耐受性，Janssen 課題組利用 FRESCO 策略確定了 218 個突變點(diǎn)和 35 個二硫鍵，具有預(yù)測的穩(wěn)定效應(yīng)。結(jié)果顯示，組合突變體（HheC-H12）熔融溫度提高 28℃，對共溶劑的抗性顯著增加[27]。2016 年，F(xiàn)leishman 團(tuán)隊開發(fā)了一種聯(lián)合計算策略（protein repair one stop shop，PROSS），設(shè)計帶有 51 個突變的乙酰膽堿酯酶（hAChE）突變體，通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)該突變體可以顯著改善蛋白質(zhì)的核心堆積、表面極性及骨架剛性[28]。與野生型相比，該突變體在大腸桿菌中表達(dá)水平高出 2 000 倍，熱穩(wěn)定性提高 20℃。

多肽的末端功能化對蛋白質(zhì)生化性質(zhì)具有非常重要的影響。通過對 C 端的特異性修飾可以使多肽的體內(nèi)代謝半衰期延長、免疫原性降低或毒副作用減少。由于多肽結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，化學(xué)修飾步驟多、產(chǎn)率低、難度很大。2016 年，中國科學(xué)院微生物研究所研究團(tuán)隊與荷蘭格羅寧根大學(xué)以及 Enzypep 公司合作，采取一種“FRESCO 與一致性分析聯(lián)合計算”策略對多肽酰胺酶進(jìn)行了工程化改造，成功設(shè)計了一個經(jīng)過高度改造的多肽酰胺酶突變體 PAM12A（包含 12 個突變點(diǎn)）。PAM12A 具有極高的熱穩(wěn)定性（熔解溫度達(dá)到 76℃），并且可以在乙腈、丙酮等多種無水溶劑環(huán)境中保持?jǐn)?shù)天的穩(wěn)定活性[29]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PAM12A 可以催化包括甲酯化、羥胺化、甲胺化、胺化在內(nèi)的多種不同的多肽修飾反應(yīng)，且不受多肽本身序列和 C 端原功能基團(tuán)的限制。

3 酶分子設(shè)計與工業(yè)生產(chǎn)的跨層次結(jié)合與技術(shù)互融現(xiàn)狀簡介

近年來，合成生物學(xué)的基礎(chǔ)理論研究及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，如基因組測序技術(shù)、計算機(jī)設(shè)計技術(shù)等以指數(shù)增長的速率發(fā)展。值得注意的是發(fā)達(dá)國家在合成生物學(xué)知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域十分活躍，連續(xù)申請了一系列覆蓋領(lǐng)域很寬的專利，阻止他人進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域[30]。而我國在合成生物學(xué)方面的研究還處于起步階段，待解決的核心問題體現(xiàn)在先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室前沿技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對接能力相對滯后，技術(shù)融合過程緩慢。諾維信公司（https://www.novozymes.com）作為工業(yè)用酶巨頭，在 2014 年占據(jù)了 44% 的市場份額，是全球工業(yè)酶制劑和微生物制劑市場的絕對領(lǐng)導(dǎo)者；而美國杜邦公司和荷蘭 DSM 公司分別占有 20% 和 6% 的市場份額。全球各地區(qū)對工業(yè)酶的需求也呈現(xiàn)巨大差異，歐洲和北美地區(qū)需求量最大，共占據(jù) 80% 市場份額；而中國僅占 9.4%[31]。隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，生物工業(yè)發(fā)展面臨重要發(fā)展機(jī)遇和投資前景。如何建立以合成生物學(xué)技術(shù)和生物-化學(xué)聯(lián)合技術(shù)為核心的低成本生物制造工藝路線，同時建立促進(jìn)工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)體系，將研究機(jī)構(gòu)的研究成果與工業(yè)生物過程同時兼顧是亟待解決的核心問題。

隨著先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)涵蓋領(lǐng)域與發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大，生物及交叉應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出顛覆性創(chuàng)新應(yīng)用，逐漸形成了產(chǎn)品多樣化、產(chǎn)出能力強(qiáng)、市場轉(zhuǎn)化活躍的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系。例如，β- 氨基酸具備多樣的特殊生物活性，被應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)牧業(yè)等多個產(chǎn)業(yè)。β-內(nèi)酰胺抗生素、重磅藥物紫杉醇（重磅抗癌藥物）、西格列?。ㄌ悄虿∷幬铮┘熬S生素 B5 等多種具有巨大市場銷售額的明星分子均需要 β- 氨基酸作為合成單元。長期以來，β- 氨基酸的合成一直依賴于過渡金屬催化的化學(xué)途徑，需要昂貴的催化劑、繁瑣的保護(hù)與去保護(hù)步驟以及苛刻的反應(yīng)條件。而不對稱氫胺化反應(yīng)具備極高的原子經(jīng)濟(jì)性，無須附加其他輔劑，是美國化學(xué)會提出的最具“綠色化學(xué)和綠色工業(yè)”特性的十大反應(yīng)之一[32]。然而，無論是人工設(shè)計的化學(xué)催化劑或是天然存在的生物催化劑都不能直接催化該反應(yīng)。

中國科學(xué)院微生物研究所研究團(tuán)隊通過 Rosetta Design 以及高通量 MD 模擬方法對天冬氨酸酶進(jìn)行了分子重設(shè)計，成功獲得了一系列具有絕對位置選擇性與立體選擇性的人工 β- 氨基酸合成酶。該人工設(shè)計的反應(yīng)體系體現(xiàn)了高效率、高原子經(jīng)濟(jì)性等巨大優(yōu)勢，底物濃度達(dá)到 300 g/L，實(shí)現(xiàn)了 99% 的轉(zhuǎn)化率，99% 區(qū)域選擇性，以及 99% 立體選擇性，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到了工業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[33]。該項研究成果為人工智能技術(shù)在工業(yè)菌株設(shè)計方向的成功案例。除了在科學(xué)層面取得的重要進(jìn)展，該團(tuán)隊還積極推進(jìn)科研成果的落地轉(zhuǎn)化，通過與企業(yè)的合作，該項技術(shù)已經(jīng)通過中試與全尺寸生產(chǎn)工藝驗(yàn)證，在近期完成了千噸級的生產(chǎn)線建設(shè)。相關(guān)產(chǎn)品有望在紫杉醇、度魯特韋與馬拉維若等抗癌，以及艾滋病治療藥物的生產(chǎn)過程中大幅降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

通過世界各國多個研究團(tuán)隊的共同推動努力，催化元件設(shè)計已經(jīng)從簡單的模式化學(xué)反應(yīng)設(shè)計逐步向具有工業(yè)應(yīng)用前景的催化途徑設(shè)計發(fā)展。除了可用于單一催化反應(yīng)之外，通過將計算設(shè)計的酶整合入復(fù)雜途徑中，還可以創(chuàng)造出全新的代謝途徑，并生產(chǎn)出新型的化學(xué)分子。尤其是由計算推動的催化設(shè)計領(lǐng)域先導(dǎo)研究，可為合成生物學(xué)的發(fā)展提供自然界中本不存在的全新元件，進(jìn)而極大擴(kuò)展生命的可設(shè)計性，同時也為回答酶催化的本質(zhì)機(jī)理以及蛋白質(zhì)的基本折疊規(guī)律等重要基礎(chǔ)科學(xué)問題提供相應(yīng)的支持。