我國團隊開發無標記質譜篩選技術 賦能新酶活定向進化
【化工儀器網 項目成果】近期，中國科學院深圳先進技術研究院聯合中國醫學科學院的研究團隊依托深圳合成生物研究重大科技基礎設施開發了無標記質譜篩選技術，可應用于環二肽合酶的定向進化改造。研究成果以論文形式發表于國際學術期刊Chemical Science。
酶是天然催化劑，酶催化在精細化學品、醫藥中間體合成等方面有著重要作用，可以替代了傳統化學中一些需要重金屬參與且高耗能的生產過程。然而酶是生命體代謝反應的承擔者，為了執行生物體內的相應過程而產生，一旦脫離了原始的生物體環境，酶的穩定性、催化活性以及選擇性等將會受到極大影響；而且單一的酶往往局限在單一的底物，難以普適使用。而酶的定向進化就是這些問題的解決方法。
定向進化通過隨機突變和重組，人為制造大量突變，按照特定的需要和目的給予選擇壓力，篩選出具有期望特征的蛋白質，實現分子水平的模擬進化，需要開展反復多輪的突變文庫構建和篩選。現有面向酶定向進化的高通量篩選方法，通常利用偶聯反應、生物傳感器等手段，將底物或產物濃度信息轉化成光學、電化學等信號。質譜分析與現有的幾種方法相比具有更好的普適性，而且基于無標記(label-free)原理，可以通過非靶向質譜方法識別新的酶促產物，從而發現對應的新催化活性。
質譜篩選酶定向進化中的應用存在樣品制備和色譜分離步驟耗時長的問題。研究團隊依托深圳合成生物大設施的機器人平臺，針對酶突變文庫構建和篩選過程中的不同環節，開發了對應的自動化流程和方法，通量為每樣品5秒鐘，實現了微生物發酵產物的無標記質譜篩選。
研究團隊以環二肽合酶的定向進化驗證無標記質譜篩選的功能。以鏈霉菌Streptomyces noursei來源的AlbC作為研究模型，使用大腸桿菌底盤進行文庫構建與篩選。重組表達野生型AlbC的大腸桿菌的主要環二肽產物為cFL。在實驗中，研究者以無標記質譜篩選技術首次對選取的14個位點的266個可能突變體中的238個進行了系統性表征，大大拓展了環二肽酶關鍵位點的突變效應數據，并篩選得到3個突變體。與野生型相比，這3個突變體新的產物鑒定為cFV，驗證了無標記質譜篩選技術在酶新催化活性的定向進化研究中的應用。
研究人員表示未來發展方向包括進一步提高篩選通量、擴大適用分子范圍、對接不同類型質譜儀等。
編輯點評：酶催化具有專一性，反應條件又溫和，反應過程中副反應少，生產的效率高。在工業生產中用酶催化代替化學反應不但可以大幅提高生產效率、降低生產成本，而且反應產生廢棄物和副產物少，環境污染小。可以說酶催化是很多工業生產領域未來的發展方向。這項研究開發的技術為酶定向進化的篩選提供了一種新的方法，對于人工酶的合成將提供巨大幫助，有利于擴大酶催化在工業生產中的應用。
(資料來源：中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所)
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