Enhancing luciferase activity and stability through generative modeling of natural enzyme sequences

蛋白质工程 定向进化 定向分子进化 计算生物学 荧光素酶 合成生物学 生成模型 生成语法 序列空间 蛋白质设计 计算机科学 生物 突变体 人工智能 生物化学 蛋白质结构 基因 数学 转染 纯数学 巴拿赫空间
作者
Wen Jun Xie,Dangliang Liu,Xiaoya Wang,Aoxuan Zhang,Qijia Wei,Ashim Nandi,Suwei Dong,Arieh Warshel
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (48) 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2312848120
摘要

The availability of natural protein sequences synergized with generative AI provides new paradigms to engineer enzymes. Although active enzyme variants with numerous mutations have been designed using generative models, their performance often falls short of their wild type counterparts. Additionally, in practical applications, choosing fewer mutations that can rival the efficacy of extensive sequence alterations is usually more advantageous. Pinpointing beneficial single mutations continues to be a formidable task. In this study, using the generative maximum entropy model to analyze Renilla luciferase (RLuc) homologs, and in conjunction with biochemistry experiments, we demonstrated that natural evolutionary information could be used to predictively improve enzyme activity and stability by engineering the active center and protein scaffold, respectively. The success rate to improve either luciferase activity or stability of designed single mutants is ~50%. This finding highlights nature's ingenious approach to evolving proficient enzymes, wherein diverse evolutionary pressures are preferentially applied to distinct regions of the enzyme, ultimately culminating in an overall high performance. We also reveal an evolutionary preference in RLuc toward emitting blue light that holds advantages in terms of water penetration compared to other light spectra. Taken together, our approach facilitates navigation through enzyme sequence space and offers effective strategies for computer-aided rational enzyme engineering.
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