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利用扩展的氨基酸字母表扩展酶分子识别

Extending enzyme molecular recognition with an expanded amino acid alphabet.

作者信息

Windle Claire L, Simmons Katie J, Ault James R, Trinh Chi H, Nelson Adam, Pearson Arwen R, Berry Alan

机构信息

Astbury Centre for Structural Molecular Biology, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, United Kingdom.

School of Molecular and Cellular Biology, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, United Kingdom.

出版信息

Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Mar 7;114(10):2610-2615. doi: 10.1073/pnas.1616816114. Epub 2017 Feb 14.

Abstract

Natural enzymes are constructed from the 20 proteogenic amino acids, which may then require posttranslational modification or the recruitment of coenzymes or metal ions to achieve catalytic function. Here, we demonstrate that expansion of the alphabet of amino acids can also enable the properties of enzymes to be extended. A chemical mutagenesis strategy allowed a wide range of noncanonical amino acids to be systematically incorporated throughout an active site to alter enzymic substrate specificity. Specifically, 13 different noncanonical side chains were incorporated at 12 different positions within the active site of -acetylneuraminic acid lyase (NAL), and the resulting chemically modified enzymes were screened for activity with a range of aldehyde substrates. A modified enzyme containing a 2,3-dihydroxypropyl cysteine at position 190 was identified that had significantly increased activity for the aldol reaction of erythrose with pyruvate compared with the wild-type enzyme. Kinetic investigation of a saturation library of the canonical amino acids at the same position showed that this increased activity was not achievable with any of the 20 proteogenic amino acids. Structural and modeling studies revealed that the unique shape and functionality of the noncanonical side chain enabled the active site to be remodeled to enable more efficient stabilization of the transition state of the reaction. The ability to exploit an expanded amino acid alphabet can thus heighten the ambitions of protein engineers wishing to develop enzymes with new catalytic properties.

摘要

天然酶由20种蛋白质ogenic氨基酸构成,这些氨基酸随后可能需要进行翻译后修饰或募集辅酶或金属离子以实现催化功能。在此,我们证明氨基酸字母表的扩展也能够扩展酶的特性。一种化学诱变策略使得多种非标准氨基酸能够系统地掺入整个活性位点,从而改变酶的底物特异性。具体而言,在唾液酸裂解酶(NAL)的活性位点内的12个不同位置掺入了13种不同的非标准侧链,并针对一系列醛底物对所得的化学修饰酶进行活性筛选。鉴定出一种在第190位含有2,3 - 二羟基丙基半胱氨酸的修饰酶,与野生型酶相比,该酶对赤藓糖与丙酮酸的醛醇缩合反应的活性显著增加。对同一位置的标准氨基酸饱和文库进行动力学研究表明,20种蛋白质ogenic氨基酸中的任何一种都无法实现这种增加的活性。结构和建模研究表明,非标准侧链的独特形状和功能能够重塑活性位点,从而更有效地稳定反应的过渡态。因此,利用扩展的氨基酸字母表的能力可以提高希望开发具有新催化特性的酶的蛋白质工程师的抱负。

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