摘要：绿色低碳是我国经济社会可持续发展的重大需求，其中生物制造是绿色低碳产业的重要组成。酶分子是以清洁的生物方式创制化工产品的重要催化剂，在生物制造领域发挥着不可替代的作用。随着科学技术的快速发展，人工酶的智能塑造作为新兴前沿研究方向，正加速突破传统学科边界，逐步发

导读

绿色低碳是我国经济社会可持续发展的重大需求，其中生物制造是绿色低碳产业的重要组成。酶分子是以清洁的生物方式创制化工产品的重要催化剂，在生物制造领域发挥着不可替代的作用。随着科学技术的快速发展，人工酶的智能塑造作为新兴前沿研究方向，正加速突破传统学科边界，逐步发展为一门以生物学为基础，深度融合化学、物理、计算科学等多学科理论与技术方法的交叉科学，构建起多学科协同创新的研究范式。

中科院天津工业生物所宗志友研究员结合计算化学与生物工程交叉学科研究背景，建立了计算机辅助的酶分子/多肽改造技术体系（P Natl Acad Sci USA 2023; https://doi.org/10.1073/pnas.2214912120），开发了酶性质快速预测整合工具和AI辅助的组合突变预测工具（图1）；基于以上技术体系和AI工具，聚焦生物质（淀粉、木质纤维素）催化转化关键酶，获得了催化机制清晰、限速步骤明确、性能显著提升的葡萄糖醛酸酯酶（Nat. Commun. 2022; https://doi.org/10.1038/s41467-022-28938-w），纤维二糖水解酶（J. Am. Chem. Soc. 2019; https://doi.org/10.1021/jacs.9b08477、ACS Catal. 2024; https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05393），和糖原分支酶（Nat. Commun. 2024; https://doi.org/10.1038/s41467-024-53018-6）等，授权多项发明专利并转化。

图1. 酶性质快速预测整合工具和AI辅助的组合突变预测网站式工具。

正文

作为生物质的重要组成，淀粉是自然界中广泛存在的α-葡聚糖类碳水化合物，是植物通过光合作用将太阳能转化为化学能后，以颗粒形式储存于种子、块茎中的能量载体，广泛富集于玉米、小麦等粮食作物中。此外，随着合成生物学与生物催化技术的突破，目前已实现以“一碳化合物”为原料的人工淀粉创制，为应对粮食安全、碳中和目标及生物质资源高效利用提供了颠覆性思路。

Amylomaltases (AMs, EC 2.4.1.25 at https://www.brenda-enzymes.org/)是淀粉修饰的关键酶，其可通过独特的环化特征调控α-葡聚糖的生化特性，形成α-1,4-糖苷连接的大环多糖（Cycloamyloses; CAs），赋予自然广泛存在以及人工创制淀粉显著的健康益处和医学价值。虽然CAs的工业应用在快速发展，但AM独特的环化过程的机制复杂性，以及转糖苷酶家族中转糖基化与水解的微妙相互作用仍然未知，制约了该生物质利用关键酶的智能塑造和性能提升。

在这项研究中，作者利用大规模分子模拟、二维自由能计算、QM/MM量化计算，并结合生化实验，以原子分辨率揭示了AM的共价和非共价的完整催化循环，发现转糖基化过程（12.8 kcal/mol；图2）优于水解过程（17.5 kcal/mol），是AM生物催化的主要途径。此外，糖基化后的非共价多糖链在酶表面的大规模移动是环化过程的决定性因素，特别是对于聚合度大于30的α-葡聚糖底物，其中非共价步骤（≥13.6 kcal/mol）决定了CA的生产速率。

图2. AM转糖基化反应示意图。

在生化实验中，研究团队通过策略性地调节多糖链转移步骤，获得了57个活性增强的突变体（单突变体最多增加了2.3倍酶活性；图3）。酶促动力学结果表明，酶性能的提升主要源于底物转移途径中酶与底物的亲和力的降低，从而加快了α-葡聚糖链在AM表面的转移，促进环化。此外，作者进一步利用Mass spectrometry，成功检测到了在AM催化多糖底物后，生成了聚合度范围为22至61的CAs，证实了理论计算的推测。

图3. 五种不同聚合度多糖底物在AM表面运动过程的二维自由能图谱、相互作用能计算识别突变位点、酶工程实验，以及酶促动力学实验。

此外，研究团队还揭示了一直悬而未决的AM中转糖基化和水解关系，量化了二者之间的动力学竞争平衡（图4），从而为设计具有更高效率和特异性的转糖苷酶提供了关键的机制见解。这项研究从工业性能的角度对CA的生物合成过程进行了系统的分子水平的解密，为AM家族提供了清晰的工程蓝图（图5）。

图4. AM中转糖基化和水解关系研究。

图5. AM环化和水解的自由能图谱。

总结与点评

淀粉等生物质因其低成本、广泛分布和可再生性而在全球范围内得到越来越多的利用。通过生物催化进行结构修饰以创造新的属性是开发淀粉等α-葡聚糖在食品和健康行业等领域应用的基本途径。中科院印遇龙院士点评该项研究揭示了AM生物催化的分子基础，提升了该酶在α-葡聚糖修饰工业中的应用价值；同时，该研究成果可扩展到GH 13、57和77家族中的转糖苷酶，推动高附加值精细化学品和功能材料的高效生物创制。

这项研究近期发表在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society (Q1; IF: 15.6)，第一作者为中科院天津工业生物所博士后刘涵博士，天津科技大学联合培养硕士生尚天文，和瑞典查尔姆斯理工大学Scott Mazurkewich博士；通讯作者为中科院天津工业生物所宗志友研究员，中科院天津工业生物所孙媛霞研究员，和中科院亚热带生态所印遇龙院士。该研究获得了美国伊利诺伊大学计算化学家Christophe Chipot教授，瑞典查尔姆斯理工大学生物质利用专家Johan Larsbrink教授，中科院天津工业生物所人工合成淀粉研究中心主任蔡韬研究员，天津科技大学研究生院、卓越工程师学院院长罗学刚教授，中科康源生物技术有限公司董事长张东远博士，安琪酵母股份有限公司生物质技术中心总经理胡骏鹏博士，中科院亚热带生态所王乐莅副研究员，和中科院天津工业生物所支撑平台张志丹高级工程师等的大力支持和协助。

招聘信息

团队长期招聘具有生物催化或计算化学专业背景的博士后，从事生物质利用关键酶分子的机制研究和智能塑造，具有交叉学科研究经历者优先考虑。待遇方面在享受中国科学院及研究所有关规定的薪酬外，还可叠加滨海新区人才补贴，待遇优厚。应聘者请将个人简历发送至zongzhy@tib.cas.cn。初选合格者，将电话或邮件通知面试。

文献详情：

来源：化学加