基于多尺度Markov状态模型的酶催化新理论及其应用

The theory of enzymatic catalysis is of fundamental importance and one of the frontier topics for the development of bio-refining process.This proposal intends to describe the dynamic behavior of enzymatic catalysis by combining five structural scales, i.e, electron, atom, atom cluster, molecular and nanostructure, and two transport scales, i.e., electron transport, during catalysis and diffusion of substrates and/or products. In this project, we want to establish a multi-scale Markov state model and its related theory, which can describe dynamically catalytic behavior and steady structure spontaneously. The improvement of multiscale molecular dynamics simulation and/or quantum calculations are also involved in this project. With the help of enzymatic kinetic experiments and structural characterizations, we can give the full pictures of enzymatic catalysis process and the guidance to the molecular design of enzymes for industrial application. We wish the multiscale Markov state model can help us fill the wide gap between molecular simulations and experimental observations.At the same time, a calculation platform and the corresponding software packages will be established based on the multiscale Markov state model, which will be widely applied in the field of enzymatic catalysis. Finally, we will choose two application systems, i.e., the multi-enzyme catalytic conversion of carbon dioxide and lactase electrode, to verify the applicability of the new theory and calculation platform based on the multiscale Markov state mode. The above researches are of the fundamental significance for developing the enzymatic catalysis theory and methods to rational design of enzymes, which are valuable for promoting the development of green biocatalytic process.

发展酶催化理论是推动生物炼制发展的重要前沿基础研究课题。本项目拟从“电子-原子-原子簇-分子-纳米”五个结构尺度和“催化过程电子传递-底物/产物扩散”两个传递尺度来描述酶的动态催化特性，建立兼顾“动态催化”和“稳态结构”的多尺度Markov状态模型及其相关理论，完善多尺度分子动力学/量化计算方法，辅之以酶促动力学实验和结构表征，弥补分子模拟和实验观测两者时空尺度上的鸿沟，全尺度描述酶催化过程和指导酶分子设计。同时，建立基于多尺度Markov状态模型的酶催化计算平台和相应的软件包，拓展其在酶催化领域的应用，为新型酶催化剂的分子设计奠定理论基础和提供计算方法。最后，面向多酶催化二氧化碳转化和漆酶电极两个应用体系，验证基于多尺度Markov状态模型新催化理论在实际酶催化过程中的适用性。上述研究对于丰富酶催化理论和发展酶分子理性设计方法具有基础研究意义，有望推动绿色生物催化技术的发展。

绿色生物催化是合成生物学和生物炼制领域重要发展方向之一，发展酶催化理论是推动绿色生物催化发展的重要前沿基础研究课题。在自然科学基金支持下，课题组针对当前酶催化领域中，缺乏描述酶催化过程的多尺度理论与计算方法这个关键科学问题，发展了多尺度Markov状态模型，结合多尺度分子动力学模拟和多维催化实验表征，建立了面向绿色生物催化过程的酶分子设计计算平台，结合CO2生物转化、金属酶设计、塑料降解酶设计和漆酶电极等具体问题，开展了基础理论与应用研究。.在为期四年的项目执行过程中，研究团队紧扣工业酶设计目标，发展了“量化计算+分子模拟+Markov状态理论”的工业酶设计方法，采用该方法设计的全新人工金属酶实现了“非天然底物、非天然环境、非天然产物、非天然酶”的全新酶催化过程。阐释了碳酸酐酶的底物CO2扩散与结合和产物解离机制，揭示了限域空间对于酶分子结构和催化活性的不同影响机制，从理论计算了酶促催化动力学常数，通过机器学习实现了影响底物扩散的关键氨基酸位点预测。解析了金属离子“进入-结合-离开”关键氨基酸残基位点的路径及其调控机制；阐明了铁蛋白中金属离子的扩散机制和关键金属结合位点，预测、设计和制备了全新的铁蛋白四倍体通道中金离子结合位点与铁蛋白-纳米金团簇新晶体结构。上述研究对于丰富酶催化理论和发展酶分子理性设计方法具有基础研究意义，有望推动绿色生物催化技术的发展。.在项目执行过程中，严格按照自然科学基金委对于项目管理的要求，按照既定计划与进度，完成相关内容的研究，总体项目进展非常顺利。依托该项目，已经发表SCI收录学术论文12篇，其中3篇论文被选为封面文章，PDB收录新结构7个，在国内外重要会议上邀请或者访学邀请报告6次。受邀为Nature Springer的Methods in Molecular Biology撰写铁蛋白模拟研究方法文章（Protein Cages: Methods and Protocols）。依托该项目，已经培养博士毕业生2名，硕士毕业生1名，两名博士毕业生的博士论文均被评价为优秀。