https://doi.org/10.1126/science.adu2454
Abstract
The design of enzymes with complex active sites that mediate multistep reactions remains an outstanding challenge. With serine hydrolases as a model system, we combined the generative capabilities of RFdiffusion with an ensemble generation method for assessing active site preorganization to design enzymes starting from minimal active site descriptions. Experimental characterization revealed catalytic efficiencies (kcat/Km) up to 2.2x105 M−1 s−1 and crystal structures that closely match the design models (Cα RMSDs < 1 Å). Selection for structural compatibility across the reaction coordinate enabled identification of new catalysts in low-throughput screens with five different folds distinct from those of natural serine hydrolases. Our de novo approach provides insight into the geometric basis of catalysis and a roadmap for designing enzymes that catalyze multistep transformations.
요약
- 서린 하이드롤라아제(Serine Hydrolase)의 컴퓨터 기반 설계: 연구진은 서린 하이드롤라아제(Serine Hydrolase) 효소를 컴퓨터로 설계하는 새로운 접근법을 개발하였습니다. 기존에는 자연에서 발견된 단백질을 변형하여 새로운 효소를 설계하는 방식이 일반적이었지만, 이번 연구에서는 새로운 단백질 구조를 생성하는 de novo 디자인 기법을 활용하여 효소를 설계하였습니다.
- RFdiffusion 및 PLACER를 활용한 다단계 효소 활성화 모델 구축: 연구진은 RFdiffusion을 사용하여 새로운 단백질 구조를 생성하고, 설계된 효소가 다단계 반응을 원활하게 수행할 수 있도록 PLACER(Protein-Ligand Atomistic Conformational Ensemble Resolver)라는 심층 신경망을 활용하여 반응 경로를 최적화하였습니다. 이를 통해 기존 방법보다 효율적인 서린 하이드롤라아제를 개발할 수 있었습니다.
- 새로운 접힘 구조에서 높은 촉매 효율성 확인: 실험 결과, 설계된 효소는 자연적인 서린 하이드롤라아제와는 다른 단백질 접힘 구조를 가지면서도 높은 촉매 효율성을 보였습니다. 이는 기존의 자연적 효소를 변형하는 방식보다 전혀 새로운 효소를 설계하는 방식이 더 효과적일 수 있음을 시사합니다.
- X선 결정학을 통한 구조적 정확성 검증: 연구진은 실험적으로 설계된 효소의 X선 결정학 구조를 분석하였으며, 컴퓨터 모델과 거의 동일한 구조(Cα RMSD < 1Å)를 유지함을 확인하였습니다. 이는 컴퓨터 기반 효소 설계가 원자 수준에서 높은 정확도를 가질 수 있음을 의미합니다.
- 합성 효소 설계를 통한 산업 및 의약 응용 가능성: 본 연구에서 개발된 서린 하이드롤라아제는 플라스틱 분해 효소(PETase) 및 기타 생화학적 촉매로 활용될 가능성이 높으며, 산업 및 의약 분야에서 널리 적용될 수 있음을 보여줍니다. 특히, 비효율적인 자연 효소를 인위적으로 개선하는 기존 방식과 달리, 특정 화학 반응을 위해 맞춤형 효소를 설계하는 새로운 접근법이 열렸다는 점에서 중요한 의의를 가집니다.