“生物酶本质上是一种蛋白质，或称酶蛋白。”中科院微生物所研究员吴边解释说，“蛋白质的功能主要由它的结构，即蛋白折叠方式来决定，而其结构则由基本构成单位——氨基酸的序列来决定。”
以最简单的，有50个氨基酸残基的酶蛋白为例，吴边表示，其结构功能的可能数目就是个天文数字。得益于近年来人工智能技术的发展，生物酶已经历了从传统实验进化到计算机虚拟设计、改造及功能预测的演变过程。
正是基于此，吴边与合作者近日获得了一系列新型酶蛋白，让合成β-氨基酸的过程更加绿色、高效。相关成果5月22日在线发表于《自然—化学生物学》。
把生化反应搬进计算机
β-氨基酸具备多样特殊生物活性，被应用于医药、食品、农牧业等多个产业。例如，抗癌药物紫杉醇、糖尿病药物西格列汀、β-内酰胺抗生素及维生素B5等多种具有巨大市场销售额的“明星”分子均需要其作为合成单元。
然而，β-氨基酸的合成一直依赖于过渡金属催化的传统化学途径。该方法不仅需要昂贵的催化剂如铂金，而且需要通过加入各种辅料实现烦琐的保护与去保护步骤，此外还需要苛刻的反应条件。
“β-氨基酸的合成原料跟成品的比率一般最低是1：10。也就是说，合成1吨的β-氨基酸至少需要10吨原料，最终会产生9吨乃至更多废料。”吴边说，这些废料如果处理不好就会成为化学垃圾。因此，设计β-氨基酸的新型绿色合成途径成为一项重大挑战。
对此，吴边团队选择了碳—碳双键的不对称氢胺化路径进行研究。尽管该反应十分“绿色”，但现有人工设计的化学催化剂或天然存在的生物催化剂都不能直接催化该反应。
吴边团队采用人工智能蛋白质设计技术，分别针对具有代表性的脂肪氨基酸、极性氨基酸和芳香氨基酸底物，对芽孢杆菌来源的天冬氨酸酶进行了分子重设计，成功获得了一系列具有绝对位置选择性与立体选择性的人工β-氨基酸合成酶。随后，该团队将编码这些非天然酶的基因整合入大肠杆菌中，构建出能够高效合成β-氨基酸的工程菌株。
“以往以蛋白质进化手段获取高性能酶是一个漫长的过程。而吴边等人结合了蛋白质理性设计和人工智能的算法，利用高性能计算机去分析和比较，留给科技人员测试的组合变化就少了许多，效率也显着提高。”中科院微生物所研究员、中科院微生物生理与代谢工程重点实验室主任陶勇认为，这项工作是蛋白质设计在实际应用的一次突破。
从概念研究到工业应用
目前，由人工智能设计和指导的生物催化反应研究在很大程度上仍停留在概念性的理论研究层面。而吴边团队从一开始就把相关概念延伸到实际应用中，并克服各种困难，率先实现大规模工业化生产。
通过发酵工艺与转化工艺优化，该团队设计的β-氨基酸合成酶的反应体系可在温和条件下利用廉价易得的烯酸类底物及氨水，不需要活化或保护过程，一步实现相应β-氨基酸的合成，体现了高效率、高经济性等巨大优势，实现了99%转化率，相关指标达到了工业化生产的标准，并使生产成本降低了50%~90%。
该团队与安徽华恒生物股份有限公司合作，已通过中试与全尺寸生产工艺验证，在近期完成了千吨级的生产线建设。相关产品潜在市场预计每年超过30亿元，有望在紫杉醇、度鲁特韦与马拉维若等抗癌与艾滋病治疗药物的生产过程中大幅降低生产成本。
“通过计算设计出的人工酶，实现了自然界未曾发现的催化反应，堪称奇迹!”中科院微生物所微生物资源前期开发国家重点实验室主任、并未参加该项目的研究员向华如是评价，“更重要的是，这是对微生物酶资源进行工业级再造的典范之作，大幅度缩短了资源化研究与产业化利用间的距离。”
“弯道超车”需加强支持
据统计，近10年来，全球化学品产量增加了4倍，生物催化剂的使用却让污染物排放量减少了20%。随着我国工业化、城镇化加速发展，高污染、高能耗的化学催化所带来的环境问题日益严峻和突出，利用低污染生物催化剂代替化学催化剂以满足工业生产需求已是刻不容缓。
长期以来，全球工业酶制剂市场被丹麦诺维信、美国杜邦和荷兰帝斯曼等公司垄断。但中国酶制剂竞争力近年来已大幅提升，其市场份额在全球比重已由“十二五”初期的不足10%提升到现在的近30%。
吴边表示，计算机辅助蛋白结构预测以及新功能酶设计作为一个新兴热点前沿领域，国际上相关优秀研究团队“用十个手指可以数得过来”。在他看来，我国目前在这一领域的发展“处于比较好的位置”，已有若干种子团队，下一步要实现我国传统化学产业的转型和生物酶制剂产业的“弯道超车”，相应的支持不可或缺。
微生物资源是现代生物技术的源泉，而人工智能设计将进一步拓展微生物资源的应用潜能。“在未来合成生物学方向，国家要更加重视对这种源头设计与再造的支持。”向华补充道。
这项研究已经为人工智能与传统工业生产的互作融合打开新局面。结合微生物所正在进行的微生物合成资源衍生库收集和表征，陶勇相信，在不久的将来，该所将会在国家倡导的绿色生物制造方面发挥重大的作用。
