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[学术文献 ] A generalized platform for artificial intelligence-powered autonomous enzyme engineering 进入全文
Nature Communications
Proteins are the molecular machines of life with numerous applications in energy, health, and sustainability. However, engineering proteins with desired functions for practical applications remains slow, expensive, and specialist-dependent. Here we report a generally applicable platform for autonomous enzyme engineering that integrates machine learning and large language models with biofoundry automation to eliminate the need for human intervention, judgement, and domain expertise. Requiring only an input protein sequence and a quantifiable way to measure fitness, this automated platform can be applied to engineer a wide array of proteins. As a proof of concept, we engineer Arabidopsis thaliana halide methyltransferase (AtHMT) for a 90-fold improvement in substrate preference and 16-fold improvement in ethyltransferase activity, along with developing a Yersinia mollaretii phytase (YmPhytase) variant with 26-fold improvement in activity at neutral pH. This is accomplished in four rounds over 4 weeks, while requiring construction and characterization of fewer than 500 variants for each enzyme. This platform for autonomous experimentation paves the way for rapid advancements across diverse industries, from medicine and biotechnology to renewable energy and sustainable chemistry.
[学术文献 ] Iterative enhancement of cutinase thermostability by multiple strategies based on combined directed evolution and computationally assisted design 进入全文
Bioresource Technology
Cutinase exhibits versatile biocatalytic potential in polymer degradation, textile processing, and industrial biocatalysis, where enhancing the thermal stability under extreme conditions is essential for practical applications. To enhance the thermal stability of Humicola insolens cutinase (HiC), a combination of strategies approach integrating error-prone PCR, computational design, and machine learning were implemented. Through systematic iterative recombination, an octuple mutant (M8) was developed with thermal tolerance and preserved catalytic activity. The engineered mutant demonstrated exceptional stability enhancements, exhibiting 8110- and 3982-fold increases in half-life at 65 °C and 70 °C, respectively, compared with wild-type HiC. Differential scanning calorimetry revealed a 13.0 °C elevation in melting temperature (Tm), while thermal inactivation analysis showed a 26.2 °C improvement in T (temperature causing 50 % activity loss in 60 min). Notably, M8 retained full activity at standard assay temperature and exhibited a broad pH profile despite incorporating eight stabilizing mutations. Molecular dynamics simulations and structural analyses revealed that the redistribution of surface electrostatic charges and a more compact overall structure were key factors in enhancing thermal stability. In summary, this study established a framework for rational thermostabilization of cutinases while providing molecular level insights into thermal adaptation mechanisms, with methodological implications for α/β-hydrolase family enzyme optimization. The engineered HiC mutant present significant potential for industrial processes requiring high-temperature operations.
[前沿资讯 ] 光酶催化官能团远端手性中心的对映汇聚 进入全文
科学网
2025年6月24日，美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）赵惠民教授团队在Nature Catalysis期刊在线发表了题为“Photoenzymatic stereoablative enantioconvergence of γ-chiral oximes via hydrogen atom transfer”的研究成果。 该研究报道了一种基于光酶催化氢原子转移的对映汇聚策略，实现官能团远端的γ-手性碳氢键的立体选择性重构。由外消旋体合成对映纯的手性分子在药物、材料和天然产物合成中有广泛的应用前景。尽管传统的有机合成方法在官能团近端手性构建方面已取得显著进展，但对于远离官能团的碳氢键实现高效、对映选择性的构筑，仍是当前化学方法的难题。主要限制因素是官能团远端碳氢键的活性较低、空间位阻难以控制，以及存在复杂的副反应。相比之下，生物催化具备独特优势。酶以其高度结构化的活性位点，能够在温和条件下实现对底物的精确识别与空间调控，尤其在立体选择性转化中表现出色。近年来，借助定向进化与人工设计，许多天然的非光酶被成功“改造”以参与光诱导自由基反应，拓展了酶在非天然反应中的应用边界。 在该项研究中，赵惠民团队设计了一种结合光诱导单电子转移与氢原子转移（HAT）的催化体系，利用黄素依赖型烯还原酶（ERED）在蓝光照射下形成亚胺基自由基，诱发γ-位点的1,5-HAT实现手性信息的“消除”，随后通过酶活性位点控制的对映选择性HAT完成产物的手性重建，最终通过水解生成γ-手性酮产物。该策略突破了传统酶催化的空间限制，在实现反应远距立体控制的同时，避免了半量原料损耗，理论上可实现100%的对映体转化率。从机制上看，作者通过一系列实验和计算发现：R/S底物在该体系中具有相似的反应性；γ-手性中心的氢原子主要来源于还原态黄素（FMNH-）；存在亚胺基自由基直接从半醌态黄素（FMNsq）获得氢的副反应，和目标1,5-HAT构成竞争。 在此基础上，研究团队进一步引入多轮对映汇聚催化循环，有效富集优势构型产物，最高可实现最高97:3 e.r.与99%的产率。该方法适用于一系列含芳香基或杂环结构的γ-手性底物，展现出一定的底物适应性。该策略有望应用于药物合成、材料功能化及分子骨架改造等前沿领域，为发展绿色、精准的生物合成技术提供新的思路。
[前沿资讯 ] 魏茨曼科学研究所报道高效Kemp消除酶的完整计算设计 进入全文
科学网
魏茨曼科学研究所Sarel J. Fleishman研究团队报道了高效Kemp消除酶的完整计算设计。2025年6月18日，国际知名学术期刊《自然》发表了这一成果。 该研究团队提出了一个完全计算的工作流程，用于在TIM桶折叠中设计高效的酶，从天然蛋白质中提取主干片段，而无需通过突变文库筛选进行优化。三种Kemp消能设计的效率均大于 2,000 M−1 s−1。最有效的方法显示了来自任何天然蛋白质的140多个突变，包括一个新的活性位点。它具有高稳定性（大于85°C）和显著的催化效率（12,700 M−1 s−1）和速率（2.8s-1），比以前的计算设计高出两个数量级。 此外，设计一种在所有以前的Kemp消除设计中被认为是必不可少的残留物，可将效率提高到105 M−1 s−1，比率提高到30 s−1，实现与天然酶相当的催化参数，挑战基本的生物催化假设。通过克服设计方法上的限制，他们的策略使通过最小的实验努力就能编程出稳定、高效、全新的酶。 据了解，到目前为止，计算设计的酶表现出较低的催化速率，并且需要大量的实验优化才能达到与天然酶相似的活性水平。这些结果暴露了设计方法的局限性，并表明他们对生物催化基础知识的理解存在重大差距。
[前沿资讯 ] 天津工业生物技术研究所等开发高效裂殖壶菌CRISPR/Cas9基因编辑技术创制高产多不饱和脂肪酸的细胞工厂 进入全文
中国科学院天津工业生物技术研究所
中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂研究员团队与哈尔滨工业大学陈国福团队合作成功开发出了高效的裂殖壶菌CRISPR/Cas9体系，并利用其介导的代谢工程创制了高产多不饱和脂肪酸的细胞工厂。研究团队首先开发了一种新型的农杆菌介导的筛选系统，基于醋酸盐的转化子筛选方式，将S. limacinum SR21的转化效率提高77.13%。其次通过挖掘内源Pol III型启动子（tRNAGly）并利用其驱动的CRISPR/Cas9 表达系统，实现了对裂殖壶菌的基因编辑，编辑效率达48.38%。最后，将已建立的遗传操作系统应用于裂殖壶菌生产DHA和EPA的代谢工程。其中，针对EPA，研究团队对裂殖壶菌中不完整的脂肪酸合成酶（FAS）途径进行重新组合，实现了从FAS源EPA的从头生物合成。针对DHA，通过实施“推-拉-阻”的代谢工程策略方式强化了裂殖壶菌的油脂合成途径。与野生型菌株相比，工程菌株的油脂含量、DHA比例和多不饱和脂肪酸含量分别提高至77.14%、55.10%和70.47%。该研究为推进裂殖壶菌多不饱和脂肪酸生物合成的商业化应用奠定了关键技术基础。
[前沿资讯 ] 天津工业生物技术研究所成功开发新型代谢工程靶点设计算法 进入全文
中国科学院天津工业生物技术研究所
中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心以自然界“节能高效”的自由能与酶资源的精准协同调控为灵感，提出ET-OptME框架，首次将酶约束与热力学约束协同引入代谢靶点设计算法，显著提升预测的生理真实性和实验可行性。ET-OptME由两个核心算法组成：ET-EComp通过比较不同状态下的酶浓度范围识别上调/下调酶，ET-ESEOF则扫描目标通量增加过程中的酶浓度变化趋势，捕捉调控信号。该框架还引入“蛋白中心”策略，跳出传统的反应层级靶点预测，解决了预测的多功能酶时可能出现的难以统一调控方向的难题。在谷氨酸棒状杆菌的五种工业产物案例中，ET-OptME在最小精确度指标上比计量学算法提升292%以上，准确度提高106%；与当前先进的酶约束算法相比，ET-OptME也保持70%的精度优势和47%的准确度优势。本研究还在代谢层面深入分析了关键靶点如pyc、gapA与leuA预测成功的原因，展示出酶-热约束靶点预测算法在提升路径效率和避免代谢瓶颈上的显著优势。
