酶工程 - 基于半理性设计方法提高磷酸三酯酶对马拉硫磷杀虫剂的转化率研究

时间:2014-06-05

分子对接(molecular docking是基于结构药物设计的核心模拟手段,依据受体与配体作用时的几何匹配和能量匹配过程,模拟受体-配体相互作用,预测两者间最佳的结合模式和结合亲和力。采用分子对接模拟技术,科研人员可以进行基于结构的药物虚拟筛选,药物分子的结构改造,药靶相互作用的机理研究等工作,从而大大提高实验效率。在Discovery Studio这一分子模拟的综合平台中,共有四种对接程序,包含LibdockLigandFitCDOCKERFlexibleDocking,这四种对接算法各有优势,能够满足广大科研工作者的多种应用需求,为其提供配体受体间相互识别的“利器”。

 

基于半理性设计方法提高磷酸三酯酶对马拉硫磷杀虫剂的转化率研究

(A 5000-Fold Increase in the Specificity of a Bacterial Phosphotriesterase for Malathion through Combinatorial Active Site Mutagenesis

RefPLOS ONE |April 2014 | Volume 9 | Issue 4 | e94177  IF=3.73

链接:http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0094177

 

      据世界卫生组织估计每年有3,000,000多起农药中毒事故,造成约200,000人死亡。大多数农药中毒事故都是由具有神经毒性的有机磷农药(OPs)的意外或故意中毒所造成。OPs是潜在的胆碱酯酶抑制剂,一直在国内外大量生产和广泛使用,被用来控制各种无脊椎害虫物种,但同样对人体也有着急毒作用,已经造成了严重的全球性环境污染和生态破坏。细菌磷酸三酯酶(PTEs)就是一种有效的有机磷降解酶,具有高效的有机磷催化水解活性和广谱的底物特异性,因此被用于环境治理、农药去污和解毒等。目前已经从众多细菌中分离得到PTEs,包括放射性土壤杆菌(PTEAr)。然而PETAR对在美国最广泛使用的有机磷杀虫剂马拉硫磷的转化率却比预期要低。本文即通过半理性设计方法来提高PTEAR对马拉硫磷的催化效率。文章采用DS CDOCKER分子对接技术将底物对接至PTEAR中,基于分子对接结果发现相较PTEAR的结合口袋马拉硫磷分子过大,存在一定碰撞。基于该对接结果,文章继而采用CASTing蛋白质工程技术对PTEAR底物结合口袋残基进行设计突变,并筛选PTEAR突变体,发现Ser308Leu/Tyr309Ala突变体的kcat/KM催化效率较突变前提高了约5000倍。文章还通过X-ray方法解析得到PTEAR Ser308Leu/Tyr309Ala突变体的三维晶体结构,基于该结构可以发现Tyr309突变为Ala之后结合口袋变大。最后文章再次采用DS CDOCKER将底物对接至该突变体结构,从结构上证实了突变体同底物结合的更好。

 

图一:马拉硫磷和野生型PETAR及突变体PETAR Ser308Leu/Tyr309Ala晶体结构的对接结果。

 

图二:基于马拉硫磷水解活性筛选PTEAR突变体结果

 

为什么选择Discovery Studio

1. Discovery Studio在酶工程和酶催化研究领域可以提供一系列完整的解决方案,包括酶结构的构建、酶与底物作用机制的研究、酶对底物的筛选、酶的改造与设计以提高酶的活性/稳定性或改变底物/辅酶特异性等等,配合舒适的界面窗口,用户可以非常便捷的去完成这一系列的工作;
2. Discovery Studio提供基于虚拟氨基酸突变来进行蛋白质设计的工具,可以快速高效的进行虚拟的丙氨酸扫描和饱和突变,或者其它任意突变,并在考虑温度、pH的条件下预测蛋白热稳性及蛋白亲和力这两种突变效应,方便用户在实验前测试大量的突变位点并优先选择突变位点,是强有力的蛋白质设计工具;
3. Discovery Studio中共有四种对接程序,这四种对接算法各有优势,能够满足广大科研工作者的多种应用需求;
4. Discovery Studio中有多种对接结果的评价分析手段,包括2D/3D相互作用图分析(可以分析氢键、疏水作用、卤键等多种非键作用类型)、结合口袋表面分析、氢键热图、多种打分函数、结合能的计算等;
5. Discovery Studio中CDOCKER对接程序是基于CHARMm的半柔性对接程序,配体分子的柔性构象空间是采用高温动力学来搜索的,并采用模拟退火的方法将各个构象在受体活性位点进行优化,从而使对接结果更加精确;
6. Discovery Studio应用广泛,操作简便,图形化界面十分友好,结果易于分析。

 

更多案例,请访问:www.neotrident.com