由于難以探索巨大的序列空間，酶的定向進(jìn)化往往無(wú)法獲得理想的突變體。為了從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上非常有限的突變體中獲得活性突變體，機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)的酶工程正成為一種有吸引力的方法。然而，目前為止還沒(méi)有機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)的黃素單加氧酶（FMO）功能修飾的例子。眾所周知，FMO能催化各種氧化反應(yīng)，并參與許多天然產(chǎn)物的生物合成。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)的FMO功能增強(qiáng)可以有助于天然產(chǎn)物衍生物的有效開(kāi)發(fā)。
有鑒于此，University of Shizuoka的Kenji Watanabe課題組對(duì)一種FMO模式酶羥基苯甲酸羥化酶（PHBH），通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)只改變了底物結(jié)合位點(diǎn)周?chē)乃膫€(gè)氨基酸殘基V47、W185、L199和L210獲得了最高活性突變體。
圖片來(lái)源：ACS Catal.
該機(jī)器學(xué)習(xí)模型使用僅覆蓋整個(gè)序列空間的約0.1%的小初始庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練，并且機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的第二個(gè)庫(kù)富含活性突變體。第二個(gè)文庫(kù)中活性最高的突變體是PHBH-MWNL（V47M、W185、L199N和L210），其活性是野生型PHBH的100多倍。
圖片來(lái)源：ACS Catal.
為了闡明PHBH-MWNL活性增強(qiáng)的機(jī)制，解析了其與底物4-羥基-3-甲基苯甲酸復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。在PHBH-MWNL晶體結(jié)構(gòu)中，由于N199與WAT2的氫鍵作用，觀察到缺失的水分子WAT2，這表明L199N突變通過(guò)穩(wěn)定被認(rèn)為在催化中很重要的質(zhì)子中繼網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了其活性大幅提高。
圖片來(lái)源：ACS Catal.
原文標(biāo)題：Functional Enhancement of Flavin-Containing Monooxygenase through Machine Learning Methodology
原文作者：Takuma Matsushita, Shinji Kishimoto, Kodai Hara, Hiroshi Hashimoto, Hideki Yamaguchi, Yutaka Saito, and Kenji Watanabe*
ACS Catal. 2024, 14, 6945?6951
