新一代SCC-DFTB算法的开发及其在酶设计中的应用

In recent decade, successful progress has been achieved in computational enzyme design. Despite of the big success, the accuracy of computational methodology is still not as good as expected. Extra experimental effort is required to aid the computational work. Therefore, a fast and accurate computational method is desired to increase the prediction accuracy and decrease the experimental effort. SCC-DFTB is one of the most popular semi-empirical quantum mechanics methods, because of its efficiency and accuracy in geometry description. However, energetic prediction by SCC-DFTB is not as good as geometry description. So, this proposal aims to improve the energy calculation of SCC-DFTB by optimization of its Mulliken Charge calculation. The improved SCC-DFTB method will be integrated into the QM/MM scheme which will be applied in enzyme design by scanning mutates with improved catalytic efficiency (lower activation free energy barrier). Actually, the new SCC-DFTB/MM scheme has been successfully applied in designing a heroin hydrolase. Consistent with experimental results, two designed heroin hydrolases (mutates) show higher catalytic efficiency (kcat/Km) than wild type enzyme. For future work, we will further improve the SCC-DFTB method and use it in the development of the heroin hydrolase with better catalytic efficiency.

计算机辅助的酶设计是最近十年发展起来的引领学科，取得了令人瞩目的成就。但是目前流行的计算方法预测准确率不高，需要大量的实验辅助。因此，发展更为准确快速的计算方法，提高预测准确率，降低实验消耗就变成了当务之急。SCC-DFTB是目前最流行的半经验量子化学方法之一，具有运算速度快和描述结构准的特点。本项目针对SCC-DFTB能量计算精确度的不足，通过改进马利肯电荷的计算方法，提高SCC-DFTB能量计算的准确性。将改进的SCC-DFTB算法结合到QM/MM反应自由能计算中，通过对大量突变体的反应自由能曲线的扫描，找出反应活性更高的突变体，减少实验消耗，从而设计具有更高反应活性的突变体。我们已将新的SCC-DFTB方法应用于提高海洛因水解酶活性，通过实验验证，初步获得了两个反应活性更高的突变体。因此，本项目立足于目前的工作基础，继续改进SCC-DFTB算法，并将之用于设计更高活性的海洛因水解酶。

计算机辅助的酶设计是目前计算生物化学领域最为前沿的研究方向之一，它不仅代表着最先进的蛋白建模技术，而且具有广阔的工业、农业和医药应用前景和可观的社会效益。近年来，随着设计方法的不断改进和计算机运算能力的显著提高，计算机辅助的蛋白质设计逐渐成为现实，并在取得了令人瞩目的进展，一系列工程酶和酶设计方法相继在顶尖学术期刊发。尽管如此，计算机辅助的酶设计仍然处于其发展的最初阶段。到目前为止，仍然没有一套被国内外计算生物化学实验室所广泛采用的有效酶设计方法（软件）。本项目针对kcat计算中QM方法耗时费力的问题，开发新的快速准确的SCC-DFTBMR量子化学计算方法。在完善关键原子的电荷的基础上，SCC-DFTBMR得到了和高等级密度泛函理论更为近似的结果，在关键问题上（得到了稳定的四面体中间态），解决了传统SCC-DFTB描述反应能垒不准确的问题，使SCC-DFTBMR势能面更接近高等级密度泛函方法结果。总之，SCC-DFTBMR半经验QM方法的成功开发，不仅为计算机辅助的酶设计提供了高效准确的计算工具，而且丰富了QM计算方法，为今后的一般QM计算提供了更多更好的选择。