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Context-Dependent Design of Induced-fit Enzymes using Deep Learning Generates Well Expressed, Thermally Stable and Active Enzymes

背景(考古学) 蛋白质设计 蛋白质工程 计算机科学 合成生物学 理论(学习稳定性) 计算生物学 人工智能 生化工程 生物系统 机器学习 生物 生物化学 蛋白质结构 工程类 古生物学
作者
Lior Zimmerman,Noga Alon,Itay Levin,Anna Koganitsky,Nahum Y. Shpigel,Chen Brestel,Gideon Lapidoth
标识
DOI:10.1101/2023.07.27.550799
摘要

Abstract The potential of engineered enzymes in practical applications is often constrained by limitations in their expression levels, thermal stability, and the diversity and magnitude of catalytic activities. De-novo enzyme design, though exciting, is challenged by the complex nature of enzymatic catalysis. An alternative promising approach involves expanding the capabilities of existing natural enzymes to enable functionality across new substrates and operational parameters. To this end we introduce CoSaNN (Conformation Sampling using Neural Network), a novel strategy for enzyme design that utilizes advances in deep learning for structure prediction and sequence optimization. By controlling enzyme conformations, we can expand the chemical space beyond the reach of simple mutagenesis. CoSaNN uses a context-dependent approach that accurately generates novel enzyme designs by considering non-linear relationships in both sequence and structure space. Additionally, we have further developed SolvIT, a graph neural network trained to predict protein solubility in E.Coli , as an additional optimization layer for producing highly expressed enzymes. Through this approach, we have engineered novel enzymes exhibiting superior expression levels, with 54% of our designs expressed in E.Coli, and increased thermal stability with more than 30% of our designs having a higher Tm than the template enzyme. Furthermore, our research underscores the transformative potential of AI in protein design, adeptly capturing high order interactions and preserving allosteric mechanisms in extensively modified enzymes. These advancements pave the way for the creation of diverse, functional, and robust enzymes, thereby opening new avenues for targeted biotechnological applications.

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