効率的で機能的に多様な酵素レパートリーの自動設計

Automated Design of Efficient and Functionally Diverse Enzyme Repertoires.

• Olga Khersonsky
• Rosalie Lipsh
• Ziv Avizemer
• Yacov Ashani
• Moshe Goldsmith
• Haim Leader
• Orly Dym
• Shelly Rogotner
• Devin L Trudeau
• Jaime Prilusky
• Pep Amengual-Rigo
• Victor Guallar
• Dan S Tawfik
• Sarel J Fleishman

抄録

酵素活性を大幅に向上させるには、活性部位の空間的に近位の位置に複数の突然変異が必要である。しかし、このような突然変異は、しばしば活性に予測できないエピスタティック（無添加）効果を示すことがある。ここでは、系統解析とRosettaデザイン計算を用いて酵素活性部位の多点突然変異をデザインするための自動化手法であるFuncLibについて述べる。FuncLibを無関係の2つの酵素、ホスホトリエステラーゼとアセチル-CoA合成酵素に適用した。すべてのデザインは活性があり、ほとんどのデザインは、野生型と互いに有意に異なる活性プロファイルを示した。活性部位の変異が3-6個しかない数十個のデザインは、有毒な有機リン酸神経剤ソマンやシクロサリンの加水分解やブチリル-CoAの合成など、様々な代替基質に対して10-4,000倍の高い効率を示した。FuncLibはウェブサーバー（http://FuncLib.weizmann.ac.il）として実装されており、反復的でハイスループットな実験的スクリーンを回避し、高効率で多様な触媒レパートリーの設計への道を開きます。

Substantial improvements in enzyme activity demand multiple mutations at spatially proximal positions in the active site. Such mutations, however, often exhibit unpredictable epistatic (non-additive) effects on activity. Here we describe FuncLib, an automated method for designing multipoint mutations at enzyme active sites using phylogenetic analysis and Rosetta design calculations. We applied FuncLib to two unrelated enzymes, a phosphotriesterase and an acetyl-CoA synthetase. All designs were active, and most showed activity profiles that significantly differed from the wild-type and from one another. Several dozen designs with only 3-6 active-site mutations exhibited 10- to 4,000-fold higher efficiencies with a range of alternative substrates, including hydrolysis of the toxic organophosphate nerve agents soman and cyclosarin and synthesis of butyryl-CoA. FuncLib is implemented as a web server (http://FuncLib.weizmann.ac.il); it circumvents iterative, high-throughput experimental screens and opens the way to designing highly efficient and diverse catalytic repertoires.

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