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David Baker最新Nature论文:AI从头设计金属水解酶,无需实验优化,催化效率提升千倍

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撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

酶的从头设计,旨在构建含有理想活性位点的蛋白质,这些位点周围的催化氨基酸残基能够稳定目标化学反应的过渡态。此前已有研究利用蛋白质从头设计来生成新的金属水解酶(Metallohydrolase),但这些酶的活性和效率相对较低,需要经过大量的定向进化才能达到天然酶的活性和效率水平。

David Baker团队之前开发的用于蛋白质从头设计的生成式 AI 工具——RFdiffusion,可以解决上述难题,但其需要为每个催化氨基酸残基指定序列位置和主链坐标,这限制了设计空间范围。

2025 年 12 月 3 日,诺奖得主、蛋白质设计先驱David Baker教授团队在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为:Computational design of metallohydrolases 的研究论文。

该研究利用新一代 AI 蛋白质设计工具——RFdiffusion2,成功设计了活性极高的锌金属水解酶,其催化效率比之前设计的金属水解酶高出上千倍。更令人惊叹的是,这些高性能酶完全“从头开始”设计,且无需任何实验改造优化,真正实现了“零样本”设计,这预示着我们将迎来新一代强大的定制化催化剂,在工业、医药等领域具有广阔应用前景。

David Baker 教授

传统酶设计的瓶颈

金属水解酶(metallohydrolase)是自然界中催化困难水解反应的高手,它们利用金属离子激活水分子,切断底物分子中的化学键。设计这样的酶对降解人造环境污染物至关重要。

过去,科学家通过蛋白质工程改造现有酶,或使用早期计算工具进行设计,但往往活性较低,需要经过大量实验筛选和定向进化才能达到实用水平。

David Baker团队之前开发的 AI 蛋白质设计工具RFdiffusion,需要预先指定催化氨基酸残基的序列位置和骨架坐标,这大大限制了设计空间的探索。

RFdiffusion2:革命性的设计突破

在这项最新研究中,研究团队开发了RFdiffusion2,这个新一代的生成式 AI 蛋白质设计工具解决了上述限制。研究团队同期在Nature Methods期刊发表论文,介绍了 RFdiffusion2 的具体情况【2】。

RFdiffusion2 的核心创新在于:

1、原子级子结构支架设计:只需指定与反应过渡态相互作用的关键功能基团位置,而非完整的侧链和骨架构象;

2、序列位置无关的支架设计:无需预先指定催化氨基酸残基的序列位置。

RFdiffusion2 采用流匹配(Flow Matching)取代扩散模型(Diffusion Model),在训练过程中提供随机选择的天然原子坐标,从而能够探索更大的设计空间,只需要使用者描述需要完成的设计任务,让 AI 自行决定需要多少氨基酸、位置排列以及如何协作。

从理论到现实:设计高效金属水解酶

研究团队选择了设计一种锌金属水解酶,用于催化水解4-甲基伞形酮苯乙酸酯(4MU-PA),首先使用密度泛函理论(DFT)确定了催化反应过渡态的几何结构,获得了锌离子、三个组氨酸咪唑环和过渡态的精确坐标。

研究团队进行了 5120 次 RFdiffusion2 推理轨迹,为每个生成的蛋白质支架设计序列,并通过 AlphaFold2 结构预测和 PLACER 活性位点预组织评估进一步优化。

在第一轮 96 个设计中,ZETA_1脱颖而出,其催化效率(kcat/KM)高达 16000 M⁻¹s⁻¹,比之前设计的金属水解酶高出三个数量级。此外,其预测结构与设计模型高度一致,表明其设计的高度准确性。

第二轮设计成功率大幅提升

基于第一轮的经验,研究团队改进了设计策略,从新的密度泛函理论酶出发,明确包含催化碱基,并使用更大数据集训练的新版 RFdiffusion2。

结果更加惊人:在第二轮 96 个设计中,11 个设计显示出显著的锌依赖性水解活性,成功率大幅提高。其中,ZETA_2的催化效率(kcat/KM)高达 53000 M⁻¹s⁻¹,催化速率常数(kcat)达到 1.5 s⁻¹。

这些最活跃的设计在底物结合模式上各不相同,表明 RFdiffusion2 能够生成多样化的解决方案。ZETA_2 和 ZETA_3 甚至展示了相反的底物结合模式,体现了设计方法的灵活性。

为了验证设计方法的准确性,研究团队解析了 ZETA_2 的蛋白晶体结构。结果显示,实验结构与设计模型高度吻合,骨架几乎可叠加,催化氨基酸残基以设计的几何形状预组织。结合位点与设计模型中的过渡态高度互补,提供了设计准确性的直接结构证据。

深远影响与未来展望

这项研究的成功具有深远意义:

1、催化效率大幅提升:设计的金属水解酶催化效率达到 10³-10⁴ M⁻¹s⁻¹,与天然金属水解酶相当,远超过所有先前设计的金属水解酶;

2、设计成功率显著提高:结合 PLACER 和 Chai-1 的活性位点预组织评估,能有效识别最活跃的设计;

3、方法通用性强:RFdiffusion2 设计适用于多种化学反应,有望推动整个酶设计领域的发展。

总的来说,这项研究不仅展示了人工智能在蛋白质设计中的强大能力,更开辟了创造全新生物催化剂的可行路径,为合成生物学和绿色化学的发展注入了新的活力。

论文链接

1. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09746-w

2. https://www.nature.com/articles/s41592-025-02975-x

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