一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法及设计的脂肪酶突变体和应用与流程

本发明属于生物信息学，具体涉及一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法及设计的脂肪酶突变体和应用。

背景技术：

1、在当今国际市场中，消费者对低脂饮食的需求正在不断地上涨，脱脂、健身等降低脂肪的医疗或食品市场更是前所未有的火爆。尤其是国内，随着经济的上升，越来越多城市居民对更高质量的生活和饮食保持着长期的关注。更有迹象表明年轻群体更加注重这一方面产业的发展和进步。这充分说明，随着中国城市化水平、经济水平的不断提高，脱脂产品拥有的巨大市场潜力。众所周知，脱脂食品适合处于减脂健身的人群，其为消费者提供丰富蛋白质的同时不会造成人体的脂肪积累，且能够有效契合适合肥胖症患者和老年高血压患者等群体的理想食谱。

2、在脱脂产品的生产过程中，不可或缺的是用于促进水解反应的水解酶——脂肪酶。脂肪酶在生产过程中的效果不仅在于脱脂，还能有效避免非特异性脂肪酸的产生，防止脱脂产品出现异味等问题。这是由于脂肪酶兼具正向甘油酯水解功能和反向脂肪酸酯化功能性酯类的作用。作为酯化酶，脂肪酶可催化不饱和脂肪酸等功能性脂肪酸的酯化合成，是制备脱脂产品的重要部分。然而，遗憾的是天然脂肪酶催化效率很低，大大限制了其在脱脂产品中的应用。

3、脂肪酶的人工改造方法包括对脂肪酶的一级结构进行特定氨基酸突变，以期通过突变获得催化效率提高的脂肪酶。然而，氨基酸突变的方法存在很大不可预期性，且操作繁琐，效率低下，不能满足脱脂领域对高催化效率的脂肪酶的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法，能够获得具有高催化活性的脂肪酶，且能大大减少突变实验操作，具有较高的应用价值。

2、本发明提供了一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法，包括以下步骤：

3、从蛋白质数据库中比对获得与待改造的脂肪酶的氨基酸序列相似度较高的脂肪酶同源结构；

4、对所述脂肪酶同源结构进行建模，得到同源脂肪酶三维结构模型；

5、将所述同源脂肪酶三维结构模型进行结构优化，得到优化的同源脂肪酶结构；

6、将所述优化的同源脂肪酶结构进行氨基酸残基单点突变模拟，获得理论合格氨基酸单点突变脂肪酶全集；

7、以所述理论合格氨基酸单点突变脂肪酶全集中的部分氨基酸残基单点突变脂肪酶为对象，计算脂肪酶和底物之间的亲和能，构建训练数据集；

8、利用所述训练数据集中的数据构建机器学习模型；

9、用所述机器学习模型预测所述氨基酸单点突变脂肪酶全集中的剩余数据的脂肪酶和底物之间的亲和能，筛选出亲和能较强的脂肪酶突变体。

10、优选的，所述脂肪酶同源结构与待改造的脂肪酶的氨基酸序列相似度不低于0.3。

11、优选的，所述结构优化的方法为分子动力学模拟。

12、优选的，所述氨基酸残基单点突变模拟采用discovery studio软件完成；

13、所述理论合格氨基酸单点突变脂肪酶全集包含至少1000个理论合理氨基酸突变脂肪酶。

14、优选的，在计算脂肪酶和底物之间的亲和能之前，还包括对氨基酸残基单点突变脂肪酶进行分子动力学模拟。

15、优选的，所述分子动力学模拟的方法为对所述同源脂肪酶三维结构模型进行20ns的分子动力学模拟，选择势能最低的脂肪酶结构。

16、优选的，所述计算脂肪酶和底物之间的亲和能是将分子动力学模拟和量子力学相结合进行计算。

17、优选的，所述待改造的脂肪酶为霉实假单胞菌(pseudomonasfragi lipase)来源的脂肪酶，具体氨基酸序列如seq id no:1所示。

18、本发明提供了一种所述智能设计方法获得的脂肪酶突变体，以氨基酸序列如seqid no:1所示的脂肪酶为基础，发生至少以下一种突变：d117a突变、d167g突变和d117g突变。

19、本发明提供了所述脂肪酶突变体在催化脱脂中的应用。

20、本发明提供了一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法，通过比对的方法从蛋白质数据库中找到与待改造脂肪酶相似的已解析脂肪酶晶体结构，经建模获得同源脂肪酶的三维结构，通过结构优化，得到稳定的同源脂肪酶的三维结构，再经氨基酸残基单点突变模拟，获得的理论合格氨基酸单点突变脂肪酶全集随机选择部分数据来构建机器学习模型，基于所述机器学习模型预测，根据亲和能较大催化活性较高的规律，筛选出高催化活性的脂肪酶突变体。本发明提供的方法从理性设计的酶蛋白设计策略出发，构建大量的脂肪酶突变结构，并进一步构建一定数量的突变脂肪酶全集，通过训练人工智能模型极大加速了对脂肪酶的设计与开发。因此，本发明提供的方法具有快速高效、步骤简便的特点，能够快速获得催化效率提高的脂肪酶突变体，大大节省了脂肪酶改造的时间，同时提高了准确性。

21、本发明还提供可所述智能设计方法获得的脂肪酶突变体，在氨基酸序列如seq idno:1所示的脂肪酶为基础上，发生d117a突变。通过催化实验验证可知，所述脂肪酶突变体的理论催化能力较强，亲和能为-57.9kcal/mol，与实际测定的催化活性相一致。可见，本发明提供的脂肪酶突变体相较于初始脂肪酶而言，极大提高了催化活性，为高效催化脱脂提供了原料基础。

技术特征：

1.一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述智能设计方法，其特征在于，所述脂肪酶同源结构与待改造的脂肪酶的氨基酸序列相似度不低于0.3。

3.根据权利要求1所述智能设计方法，其特征在于，所述结构优化的方法为分子动力学模拟。

4.根据权利要求1所述智能设计方法，其特征在于，所述氨基酸残基单点突变模拟采用discovery studio软件完成；

5.根据权利要求1所述智能设计方法，其特征在于，在计算脂肪酶和底物之间的亲和能之前，还包括对氨基酸残基单点突变脂肪酶进行分子动力学模拟。

6.根据权利要求3或5所述智能设计方法，其特征在于，所述分子动力学模拟的方法为对所述同源脂肪酶三维结构模型进行20ns的分子动力学模拟，选择势能最低、结构稳定的脂肪酶结构。

7.根据权利要求1所述智能设计方法，其特征在于，所述计算脂肪酶和底物之间的亲和能是将分子动力学模拟和量子力学相结合进行计算。

8.根据权利要求1～5和7任意一项所述智能设计方法，其特征在于，所述待改造的脂肪酶为霉实假单胞菌(pseudomonasfragi lipase)来源的脂肪酶，具体氨基酸序列如seq idno:1所示。

9.一种权利要求1～8任意一项所述智能设计方法获得的脂肪酶突变体，其特征在于，以氨基酸序列如seq id no:1所示的脂肪酶为基础，发生以下至少一种突变：d117a突变、d167g突变和d117g突变。

10.权利要求9所述脂肪酶突变体在催化脱脂中的应用。

技术总结
本发明提供了一种提高脂肪酶催化效率的智能设计方法，属于生物信息学技术领域。通过比对的方法从蛋白质数据库中找到与待改造脂肪酶相似的已解析脂肪酶晶体结构，经建模获得同源脂肪酶的三维结构，通过结构优化，得到稳定的同源脂肪酶的三维结构，再经氨基酸残基单点突变模拟，获得的理论合格氨基酸单点突变脂肪酶全集随机选择部分数据来构建机器学习模型，基于所述机器学习模型预测，根据亲和能较大催化活性较高的规律，筛选出高催化活性的脂肪酶突变体。本发明提供的方法具有快速高效、步骤简便的特点，能够快速获得催化效率提高的脂肪酶突变体，大大节省了脂肪酶改造的时间，同时提高了准确性。

技术研发人员：李金金,韩彦强
受保护的技术使用者：魏之昀
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15