MECE: a method for enhancing the catalytic efficiency of glycoside hydrolase based on deep neural networks and molecular evolution

催化效率 糖苷水解酶 人工神经网络 突变体 糖苷 人工智能 深层神经网络 计算机科学 化学 计算生物学 催化作用 生物化学 组合化学 机器学习 生物 立体化学 基因
作者
Hanqing Liu,Feifei Guan,Tuoyu Liu,Lixin Yang,Lingxi Fan,Xiaoqing Liu,Huiying Luo,Ningfeng Wu,Bin Yao,Jian Tian,Huoqing Huang
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:68 (22): 2793-2805 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.09.039
摘要

The demand for high efficiency glycoside hydrolases (GHs) is on the rise due to their various industrial applications. However, improving the catalytic efficiency of an enzyme remains a challenge. This investigation showcases the capability of a deep neural network and method for enhancing the catalytic efficiency (MECE) platform to predict mutations that improve catalytic activity in GHs. The MECE platform includes DeepGH, a deep learning model that is able to identify GH families and functional residues. This model was developed utilizing 119 GH family protein sequences obtained from the Carbohydrate-Active enZYmes (CAZy) database. After undergoing ten-fold cross-validation, the DeepGH models exhibited a predictive accuracy of 96.73%. The utilization of gradient-weighted class activation mapping (Grad-CAM) was used to aid us in comprehending the classification features, which in turn facilitated the creation of enzyme mutants. As a result, the MECE platform was validated with the development of CHIS1754-MUT7, a mutant that boasts seven amino acid substitutions. The kcat/Km of CHIS1754-MUT7 was found to be 23.53 times greater than that of the wild type CHIS1754. Due to its high computational efficiency and low experimental cost, this method offers significant advantages and presents a novel approach for the intelligent design of enzyme catalytic efficiency. As a result, it holds great promise for a wide range of applications.
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