How directed evolution reshapes the energy landscape in an enzyme to boost catalysis

能源景观 定向进化 催化作用 化学 分子动力学 蛋白质工程 构象变化 蛋白质设计 氧阴离子孔 活动站点 硼氢化 蛋白质结构 过渡状态 化学物理 酶催化 计算化学 立体化学 突变体 生物化学 基因
作者
Renee Otten,R.A.P. Padua,H. Adrian Bunzel,Vy Nguyen,Warintra Pitsawong,MacKenzie Patterson,Shuo Sui,Sarah L. Perry,Aina E. Cohen,Donald Hilvert,Dorothee Kern
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:370 (6523): 1442-1446 被引量:132
标识
DOI:10.1126/science.abd3623
摘要

The advent of biocatalysts designed computationally and optimized by laboratory evolution provides an opportunity to explore molecular strategies for augmenting catalytic function. Applying a suite of nuclear magnetic resonance, crystallography, and stopped-flow techniques to an enzyme designed for an elementary proton transfer reaction, we show how directed evolution gradually altered the conformational ensemble of the protein scaffold to populate a narrow, highly active conformational ensemble and accelerate this transformation by nearly nine orders of magnitude. Mutations acquired during optimization enabled global conformational changes, including high-energy backbone rearrangements, that cooperatively organized the catalytic base and oxyanion stabilizer, thus perfecting transition-state stabilization. The development of protein catalysts for many chemical transformations could be facilitated by explicitly sampling conformational substates during design and specifically stabilizing productive substates over all unproductive conformations.
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