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Computational Stabilization of a Non‐Heme Iron Enzyme Enables Efficient Evolution of New Function

定向进化 蛋白质工程 羟基化 定向分子进化 工作流程 超家族 组合化学 功能(生物学) 计算机科学 计算生物学 化学 生物化学 生化工程 突变体 生物 工程类 基因 遗传学 数据库
作者
Brianne R. King,Kiera H. Sumida,Jessica L. Caruso,David Baker,Jesse G. Zalatan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (2): e202414705-e202414705 被引量:15
标识
DOI:10.1002/anie.202414705
摘要

Abstract Deep learning tools for enzyme design are rapidly emerging, and there is a critical need to evaluate their effectiveness in engineering workflows. Here we show that the deep learning‐based tool ProteinMPNN can be used to redesign Fe(II)/αKG superfamily enzymes for greater stability, solubility, and expression while retaining both native activity and industrially relevant non‐native functions. This superfamily has diverse catalytic functions and could provide a rich new source of biocatalysts for synthesis and industrial processes. Through systematic comparisons of directed evolution trajectories for a non‐native, remote C( sp 3 )−H hydroxylation reaction, we demonstrate that the stabilized redesign can be evolved more efficiently than the wild‐type enzyme. After three rounds of directed evolution, we obtained a 6‐fold activity increase from the wild‐type parent and an 80‐fold increase from the stabilized variant. To generate the initial stabilized variant, we identified multiple structural and sequence constraints to preserve catalytic function. We applied these criteria to produce stabilized, catalytically active variants of a second Fe(II)/αKG enzyme, suggesting that the approach is generalizable to additional members of the Fe(II)/αKG superfamily. ProteinMPNN is user‐friendly and widely accessible, and our results provide a framework for the routine implementation of deep learning‐based protein stabilization tools in directed evolution workflows for novel biocatalysts.
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