研究人员发现酶是如何“打结”的

套索肽（Lasso peptides）是细菌产生的天然产物。它们独特的套索形状赋予了它们非凡的稳定性，保护它们免受极端条件的影响。在一项发表在《自然化学生物学》杂志上的新研究中，研究人员已经构建并测试了这些肽是如何产生的模型，并展示了如何利用这些信息将基于套索肽的药物推进到临床。

米切尔实验室(MMG)的研究生苏珊娜·巴雷特(Susanna Barrett)说:“套索肽很有趣，因为它们基本上是线性分子，被绑成滑结状。”“由于它们令人难以置信的稳定性和可工程化性，它们作为治疗方法具有很大的潜力。它们还具有抗菌、抗病毒和抗癌的特性。”

套索肽是核糖体合成和翻译后修饰的分子。肽链是由核糖体将氨基酸以一根弦的形式连接在一起形成的。两种酶，一种肽酶和一种环化酶，协同作用将线性前体肽转化为独特的打结套索结构。自三十多年前发现以来，科学家们一直试图了解环化酶是如何折叠套索肽的。

“解决这个问题的主要挑战之一是酶很难处理。当你试图净化它们时，它们通常是不溶的或无活性的，”巴雷特说。

一个罕见的反例是fusilassin环化酶(FusC)，米切尔实验室在2019年对其进行了表征。前小组成员能够纯化这种酶，从那时起，它就成为了理解套索打结过程的模型。然而，FusC的结构仍然未知，因此不可能理解环化酶如何与肽相互作用以折叠结。

在目前的研究中，研究小组使用人工智能程序AlphaFold来预测FusC蛋白的结构。他们使用该结构和其他基于人工智能的工具，如RODEO，来确定哪些环化酶活性位点残基对于与套索肽底物相互作用是重要的。

“FusC由大约600个氨基酸组成，活性位点包含120个氨基酸。这些程序对我们的项目很有帮助，因为它们允许我们进行‘结构研究’，并减少哪些氨基酸在酶的活性部位是重要的，”巴雷特说。

他们还使用分子动力学模拟来计算理解套索是如何被环化酶折叠的。舒克拉实验室的研究生宋茵说:“多亏了Folding@home的计算能力，我们能够收集大量的模拟数据，以可视化原子水平上的相互作用。”“在这项研究之前，没有套索肽和环化酶之间相互作用的MD模拟，我们认为这种方法将适用于许多其他肽工程研究。”

通过计算，研究人员发现，在不同的环化酶中，活性位点的后壁区域似乎对折叠特别重要。在FusC中，这对应于螺旋11区。然后，研究人员进行了无细胞生物合成，他们将合成套索肽所需的所有细胞成分添加到一个试管中，其中含有在螺旋区域具有不同氨基酸的酶变体。最终，他们发现了一种在11号螺旋上发生突变的FusC，这种突变可以折叠原环化酶无法产生的套索肽。这些数据证实了研究人员用他们的计算方法开发的套索肽折叠模型。

“酶如何打套索结是一个有趣的问题。化学和生物分子工程副教授Diwakar Shukla说:“这项研究首次揭示了产生这种独特结构的生物物理相互作用。”

“我们还表明，这些分子接触在不同门的几种不同环化酶中是相同的。尽管我们还没有测试过每个系统，但我们相信这是一个可推广的模型。”

与圣地亚哥的Lassogen公司合作，研究人员表明，新的见解可以指导环化酶工程产生套索肽，否则无法制造。作为概念验证，他们设计了一种不同的环化酶，称为McjC，可以有效地产生一种促进癌症的整合素的有效抑制剂。

Lassogen首席执行官马克·伯克(Mark Burk)表示:“产生套索肽多样性的能力对优化药物非常重要。”“来自自然界的酶并不总是允许我们生产感兴趣的套索肽，而设计套索环化酶的能力极大地扩展了这些神奇分子的治疗用途。”

约翰和玛格丽特维特化学教授道格拉斯米切尔说:“如果没有强大的计算能力，没有人工智能和无细胞生物合成方法的最新进展，我们的工作是不可能完成的。”“这项工作是Carl R. Woese基因组生物学研究所促进跨学科合作的一个非凡例子。我感谢IGB的MMG主题和我们在Lassogen的外部同事参与解决这一复杂问题。”