Machine learning-guided multi-site combinatorial mutagenesis enhances the thermostability of pectin lyase

热稳定性 突变 定向进化 蛋白质工程 化学 序列空间 组合方法 生物化学 计算生物学 组合化学 酶 生物 数学 基因 突变体 组合数学 巴拿赫空间 纯数学
作者
Zhihui Zhang,Zhixuan Li,Manli Yang,Fengguang Zhao,Shuangyan Han
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:277 (Pt 4): 134530-134530 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2024.134530
摘要

Enhancing the thermostability of enzymes is crucial for industrial applications. Methods such as directed evolution are often limited by the huge sequence space and combinatorial explosion, making it difficult to obtain optimal mutants. In recent years, machine learning (ML)-guided protein engineering has become an attractive tool because of its ability to comprehensively explore the sequence space of enzymes and discover superior mutants. This study employed ML to perform combinatorial mutation design on the pectin lyase PMGL-Ba from Bacillus licheniformis, aiming to improve its thermostability. First, 18 single-point mutants with enhanced thermostability were identified through semi-rational design. Subsequently, the initial library containing a small number of low-order mutants was utilized to construct an ML model to explore the combinatorial sequence space (theoretically 196,608 mutants) of single-point mutants. The results showed that the ML-predicted second library was successfully enriched with highly thermostable combinatorial mutants. After one iteration of learning, the best-performing combinatorial mutant in the third library, P36, showed a 67-fold and 39-fold increase in half-life at 75 °C and 80 °C, respectively, as well as a 2.1-fold increase in activity. Structural analysis and molecular dynamics simulations provided insights into the improved performance of the engineered enzyme.
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