飼用酶工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)出提高糖苷水解酶催化效率的新策略
2023年10月23日來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所姚斌院士團(tuán)隊(duì)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所微生物蛋白設(shè)計(jì)與智造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分子進(jìn)化分析，提高糖苷水解酶催化活性的新策略。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)通報(bào) （Science Bulletin）》。
糖苷水解酶是降解多糖的主要酶系，在食品行業(yè)、飼料行業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工和農(nóng)副產(chǎn)品廢品降解等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。市場(chǎng)對(duì)糖苷水解酶的需求量逐年增加，但提高糖苷水解酶的催化效率，發(fā)揮其最大催化潛力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
該研究首先從碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫（Carbohydrate-Active enZYmes Database, CAZy）數(shù)據(jù)庫中收集整理了119個(gè)糖苷水解酶家族的蛋白序列，建立了能夠識(shí)別糖苷水解酶家族和功能殘基的深度學(xué)習(xí)模型DeepGH，通過10倍交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示DeepGH模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為96.73%。隨后利用梯度加權(quán)類激活圖譜（Gradient-weighted Class Activation Mapping, Grad-CAM）方法提取分類相關(guān)特征，結(jié)合序列進(jìn)化信息對(duì)突變體進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后獲得了具有7個(gè)氨基酸突變位點(diǎn)的殼聚糖酶突變體CHIS1754-MUT7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CHIS1754- MUT7的催化效率（ k cat/ K m）是野生型的23.53倍。該蛋白理性策略計(jì)算效率高，實(shí)驗(yàn)成本低，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，為酶催化效率的智能設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑，具有廣泛的應(yīng)用前景。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所黃火清研究員、田健研究員和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所關(guān)菲菲副研究員為論文共同通訊作者，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所劉汗青、關(guān)菲菲、劉拓宇和楊麗鑫為論文共同第一作者。
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