達梭系統BIOVIA與諾貝爾化學獎

北京時間10月3日下午,諾貝爾基金會宣佈將2018年的諾貝爾化學獎授予Frances H. Arnold教授、George P. Smith教授、以及Gregory P. Winter爵士,以表彰他們成功駕馭演化的力量,造福人類。

獎項的一半授予美國科學家阿諾德(Frances H. Arnold),表彰她實現了酶的定向演化;另一半授予給美國科學家史密斯(George P. Smith)和英國科學家溫特(Gregory P. Winter),表彰他們實現了多肽和抗體的噬菌體呈現技術。

工欲善其事,必先利其器。化學家也一樣,他們在研究酶和蛋白質的時候,首先要把它們用3D的方式表達出來。

達梭系統的BIOVIA就是化學家們常用的武器。BIOVIA的前身是Accelrys。

生物分析、藥物發現、毒理學、疾病診斷和監測、食品安全等都極大的促進了蛋白質組及代謝組學的發展。但這也給研究者在獲取和處理資料上提出了更高的要求。

Pipeline Pilot擁有眾多的資料分析類比,如蛋白質譜分析模組、序列分析模組、R統計模組。並能夠自由組合成為工作流,提高研究者對蛋白質組學資料的分析、管理和共用能力。

1、蛋白質譜分析模組

Mass Specfor Proteomics模組提供了一系列對基於生物質譜的蛋白組資料處理工具,可以對來自質譜實驗的資料進行讀入、輸出、顯示、處理、分析、比較和發佈。可以和Sequence Analysis和Gene Expression模組進行連用做其他實驗資料的分析以及生物標記的識別和驗證。

2、序列分析模組

實現對蛋白質和核酸的序列的注釋和特徵分析,序列搜索和比對,產生引物和擴增子,siRNA設計,發現限制性酶切位點等功能。同樣,本模組可以通過Java和Perl建立新的元件來擴展系統功能,或通過與EMBOSS整合而實現功能的擴展。

 3、 R統計模組

RStatistics模組能對資料進行深入細緻的分析,創建內容豐富、清晰直觀的分析圖表,説明您做出合理的決策。R統計模組包含的元件能夠實現資料操作、聚類、學習,以及一些傳統和探索性的資料分析方法,其統計引擎來自於在公共領域廣泛應用的R統計學套裝軟體。

R統計學套裝軟體中的資料統計和分析方法被無縫連接到PipelinePilot資料流程程中,使用者可以直接調用其元件而無需編寫R指令碼語言,所獲得的輸出結果可以直接用Pipeline Pilot工作流程中的其它元件進行分析。本模組中主要的學習方法有偏最小二乘法,神經網路和支援向量機等。R指令碼語言編寫的元件同樣可以直接整合到Pipeline Pilot中,從而擴展R模組中的元件功能。

酶是自然界經過長期進化而產生的生物催化劑。它能在溫和條件下高效專一地催化某些化學反應。正是它們的存在,確保了生物體內化學反應可以在常溫,常壓條件下進行。具有非常廣闊的應用前景。而在近幾年的國內外研究中,把分子模擬應用于酶領域成為了一個熱門,研究手段也日益成熟。

 

應用模組:

Homology Modeling、Molecular Docking、Molecular Dynamics、QM/MM、ZDOCK/RDOCK、Protein Design

Arnold博士於1986年加入加州理工學院,曾擔任客座副教授、助理教授、教授和主任。她的實驗室側重于通過定向進化開展蛋白質改造,應用在替代能源、化工和醫學方面。

Arnold博士可真的是不簡單,曾獲得眾多榮譽,包括進入美國發明家名人堂(2014)、美國發明家科學院院士(2014)、ENI可再生能源和非常規能源獎(2013)、美國國家技術與創新勳章(2011)以及美國國家工程院的Charles Stark Draper獎(2011)。她當選為美國三個國家研究院(科學院、醫學院和工程院)以及美國藝術與科學院的院士。

用酶來催化有機反應並不新鮮,Frances Arnold教授堪稱這一領域內的“女神”級人物。她課題組2016年一篇“酶法構建C-Si鍵”的Science工作,讓不少人驚呼構建“矽基生命”終於成為可能。

就在今年,她的團隊已經製造出一種細菌,可以製造出小型但充滿能量的碳環,這些碳環是製造其他化學物質和材料的有用材料。這些“戒指”本來是特別難打造的,現在可以像啤酒一樣“釀造”了。

以下是一篇她的團隊用BIOVIA作為工具,來表達分子式的文章。

Comparison of random mutagenesis and semi-rational designed libraries for improved cytochrome P450 BM3-catalyzed hydroxylation of small alkanes

隨機誘變和半合理設計庫比較改良細胞色素P450 BM3催化小烷烴羥基化

 

Abstract – Three semi-rational approaches, combinatorial site-saturation mutagenesis (CSSM) using a reduced amino acid set and two libraries based on Corbit and CRAM computational design algorithms targeting up to 10 active site residues, were used to engineer cytochrome P450 BM3 to demethylate dimethyl ether and hydroxylatepropane and ethane. These small libraries (343–1028 variants) were all enriched with respect to the fraction functional and maximal activities compared with arandom mutagenesis library and individual site-saturation libraries targeting the same residues. Despite high average amino acid substitution levels of 2.6,5 and 7.5, the CSSM, Corbit and CRAM libraries had at least 75% of library members properly folded. Propane- and ethane- hydroxylating P450 BM3 variants were identified using all three mutagenesis approaches, with as few as two amino acid substitutions. The library designed using the CRAM algorithm, which sought to reduce the size ofthe binding pocket, produced both a higher number of active variants and variants supporting the greatest number of catalytic turnovers. The most active variant E32 supports 16 800 propane turnovers at 36% coupling, which rivals theactivity of variants obtained after 10–12 rounds of directed evolution using random and site-saturation mutagenesis. None of the variants in this studyachieved the complete re-specialization for propane hydroxylation (including93% coupling) previously obtained via multiple rounds of mutagenesis and screening. However, these semi-rational approaches allowed for large jumps insequence space to variants with the desired functions.

摘要:

三種半合理方法,使用還原氨基酸組的組合位元點飽和誘變(CSSM)和基於Corbit的兩個庫和針對多達10個活性位點殘基的CRAM計算設計演算法,用於改造細胞色素P450 BM3去甲基化二甲基醚和羥基丙烷和乙烷。與隨機誘變文庫和靶向相同殘基的單個位點飽和庫相比,這些小庫(343-1028變體)在功能和最大活性部分方面都得到了豐富。儘管平均氨基酸取代水準高達2.6,5和7.5,但CSSM,Corbit和CRAM庫至少有75%的庫成員正確折疊。使用所有三種誘變方法鑒定丙烷 – 和乙烷 -羥基化P450 BM3變體,具有少至兩個氨基酸取代。使用CRAM演算法設計的庫試圖減小結合口袋的大小,產生了更多數量的活性變體和變體,支持最大數量的催化轉換。最活躍的變體E32在36%偶聯時支援16 800個丙烷轉換,其與使用隨機和位點飽和誘變10-12輪定向進化後獲得的變體的活性相媲美。該研究中沒有變體實現了先前通過多輪誘變和篩選獲得的丙烷羥化(包括93%偶聯)的完全再特化。然而,這些半合理方法允許序列空間中的大跳躍到具有所需功能的變體。

Alkane hydroxylation reactions

P450 ethane and propane hydroxylation reactions were performed in a pressurizable 96-well reactor (Accelrys, USA).Reactions with 0.5 ml total volume typically contained 20–40 μl of filtered (2μm) crude cell extract or purified protein at concentrations of 50–200 nM,along with an NADPH regeneration system consisting of 20 mM DL-isocitric acid trisodium salt, 400 μM NADP+ and 0.5 U/ml isocitrate dehydrogenase in alkane saturated 0.1 M potassium phosphate buffer. The reactor headspace was pressurized to 30 psiwith alkane and the reactions were stirred at least 20 h at 4°C. The reactions were quenched with the addition of 15 μl of 5 M HCl and neutralized with 75 μlof 1 M potassium phosphate buffer, pH 8.0. After the removal of precipitated cell debris and denatured protein by centrifugation, 1-pentanol was added tothe reaction mixture as an internal standard and alcohol yield was determined by gas chromatography with a flame ionization detector.

烷烴羥基化反應

P450乙烷和丙烷羥基化反應在可加壓的96孔反應器(Accelrys,USA)中進行。總體積為0.5ml的反應通常含有20-40μl過濾(2μm)粗細胞提取物或濃度為50-200nM的純化蛋白,以及由20mM DL-異檸檬酸三鈉鹽組成的NADPH再生系統,400μMNADP+和0.5U /ml異檸檬酸脫氫酶在烷烴飽和的0.1M磷酸鉀緩衝液中。用烷烴將反應器頂部空間加壓至30psi,並將反應在4℃下攪拌至少20小時。加入15μl5MHCl淬滅反應,並用75μl1M磷酸鉀緩衝液(pH8.0)中和。通過離心除去沉澱的細胞碎片和變性蛋白質後,將1-戊醇作為內標添加到反應混合物中,並通過氣相色譜法用火焰離子化檢測器測定醇產率。

Congratulations to Frances, Georgeand Gregory!

 

由 3DEXPERIENCE® 平臺支援,達梭系統的BIOVIA™可提供全球協作產品生命週期體驗,以此改變科學創新。

行業領先的 BIOVIA 產品組合致力於集成整個研究、開發、QA/QC 和製造過程中的科學、實驗流程和資訊要求。功能包括科學資料管理;小分子、生物製劑和材料建模和模擬;化學和生物資訊學;系統生物學和一體化治療學;協作網路研究;科學流水線技術;企業實驗室管理;法規和品質管制;流程知識和協作以及化學品庫存管理。

欲知詳情,請訪問www.3ds.com,有關BIOVIA內容。

 

關於達梭系統

作為一家為全球客戶提供3DEXPERIENCE解決方案的領導者,達梭系統為企業和客戶提供虛擬空間以類比可持續創新。其全球領先的解決方案改變了產品在設計、生產和技術支援上的方式。達梭系統的協作解決方案更是推動了社會創新,擴大了透過虛擬世界來改善真實世界的可能性。達梭系統為140多個國家超過22萬個不同行業、不同規模的客戶帶來價值。

Steve.TIAN@3ds.com'

Steve Tian

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