撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

酶的從頭設(shè)計(jì)，旨在構(gòu)建含有理想活性位點(diǎn)的蛋白質(zhì)，這些位點(diǎn)周圍的催化氨基酸殘基能夠穩(wěn)定目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài)。此前已有研究利用蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)來生成新的金屬水解酶（Metallohydrolase），但這些酶的活性和效率相對(duì)較低，需要經(jīng)過大量的定向進(jìn)化才能達(dá)到天然酶的活性和效率水平。

David Baker團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的用于蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)的生成式 AI 工具——RFdiffusion，可以解決上述難題，但其需要為每個(gè)催化氨基酸殘基指定序列位置和主鏈坐標(biāo)，這限制了設(shè)計(jì)空間范圍。

2025 年 12 月 3 日，諾獎(jiǎng)得主、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)先驅(qū)David Baker教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Computational design of metallohydrolases 的研究論文。

該研究利用新一代 AI 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)工具——RFdiffusion2，成功設(shè)計(jì)了活性極高的鋅金屬水解酶，其催化效率比之前設(shè)計(jì)的金屬水解酶高出上千倍。更令人驚嘆的是，這些高性能酶完全“從頭開始”設(shè)計(jì)，且無需任何實(shí)驗(yàn)改造優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)了“零樣本”設(shè)計(jì)，這預(yù)示著我們將迎來新一代強(qiáng)大的定制化催化劑，在工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

David Baker 教授

傳統(tǒng)酶設(shè)計(jì)的瓶頸

金屬水解酶（metallohydrolase）是自然界中催化困難水解反應(yīng)的高手，它們利用金屬離子激活水分子，切斷底物分子中的化學(xué)鍵。設(shè)計(jì)這樣的酶對(duì)降解人造環(huán)境污染物至關(guān)重要。

過去，科學(xué)家通過蛋白質(zhì)工程改造現(xiàn)有酶，或使用早期計(jì)算工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，但往往活性較低，需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)篩選和定向進(jìn)化才能達(dá)到實(shí)用水平。

David Baker團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的 AI 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)工具RFdiffusion，需要預(yù)先指定催化氨基酸殘基的序列位置和骨架坐標(biāo)，這大大限制了設(shè)計(jì)空間的探索。

RFdiffusion2：革命性的設(shè)計(jì)突破

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了RFdiffusion2，這個(gè)新一代的生成式 AI 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)工具解決了上述限制。研究團(tuán)隊(duì)同期在Nature Methods期刊發(fā)表論文，介紹了 RFdiffusion2 的具體情況【2】。

RFdiffusion2 的核心創(chuàng)新在于：

1、原子級(jí)子結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)：只需指定與反應(yīng)過渡態(tài)相互作用的關(guān)鍵功能基團(tuán)位置，而非完整的側(cè)鏈和骨架構(gòu)象；

2、序列位置無關(guān)的支架設(shè)計(jì)：無需預(yù)先指定催化氨基酸殘基的序列位置。

RFdiffusion2 采用流匹配（Flow Matching）取代擴(kuò)散模型（Diffusion Model），在訓(xùn)練過程中提供隨機(jī)選擇的天然原子坐標(biāo)，從而能夠探索更大的設(shè)計(jì)空間，只需要使用者描述需要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，讓 AI 自行決定需要多少氨基酸、位置排列以及如何協(xié)作。

從理論到現(xiàn)實(shí)：設(shè)計(jì)高效金屬水解酶

研究團(tuán)隊(duì)選擇了設(shè)計(jì)一種鋅金屬水解酶，用于催化水解4-甲基傘形酮苯乙酸酯（4MU-PA），首先使用密度泛函理論（DFT）確定了催化反應(yīng)過渡態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)，獲得了鋅離子、三個(gè)組氨酸咪唑環(huán)和過渡態(tài)的精確坐標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了 5120 次 RFdiffusion2 推理軌跡，為每個(gè)生成的蛋白質(zhì)支架設(shè)計(jì)序列，并通過 AlphaFold2 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和 PLACER 活性位點(diǎn)預(yù)組織評(píng)估進(jìn)一步優(yōu)化。

在第一輪 96 個(gè)設(shè)計(jì)中，ZETA_1脫穎而出，其催化效率（kcat/KM）高達(dá) 16000 M?1s?1，比之前設(shè)計(jì)的金屬水解酶高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，其預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型高度一致，表明其設(shè)計(jì)的高度準(zhǔn)確性。

第二輪設(shè)計(jì)成功率大幅提升

基于第一輪的經(jīng)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了設(shè)計(jì)策略，從新的密度泛函理論酶出發(fā)，明確包含催化堿基，并使用更大數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的新版 RFdiffusion2。

結(jié)果更加驚人：在第二輪 96 個(gè)設(shè)計(jì)中，11 個(gè)設(shè)計(jì)顯示出顯著的鋅依賴性水解活性，成功率大幅提高。其中，ZETA_2的催化效率（kcat/KM）高達(dá) 53000 M?1s?1，催化速率常數(shù)（kcat）達(dá)到 1.5 s?1。

這些最活躍的設(shè)計(jì)在底物結(jié)合模式上各不相同，表明 RFdiffusion2 能夠生成多樣化的解決方案。ZETA_2 和 ZETA_3 甚至展示了相反的底物結(jié)合模式，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)方法的靈活性。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)解析了 ZETA_2 的蛋白晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型高度吻合，骨架幾乎可疊加，催化氨基酸殘基以設(shè)計(jì)的幾何形狀預(yù)組織。結(jié)合位點(diǎn)與設(shè)計(jì)模型中的過渡態(tài)高度互補(bǔ)，提供了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的直接結(jié)構(gòu)證據(jù)。

深遠(yuǎn)影響與未來展望

這項(xiàng)研究的成功具有深遠(yuǎn)意義：

1、催化效率大幅提升：設(shè)計(jì)的金屬水解酶催化效率達(dá)到 103-10? M?1s?1，與天然金屬水解酶相當(dāng)，遠(yuǎn)超過所有先前設(shè)計(jì)的金屬水解酶；

2、設(shè)計(jì)成功率顯著提高：結(jié)合 PLACER 和 Chai-1 的活性位點(diǎn)預(yù)組織評(píng)估，能有效識(shí)別最活躍的設(shè)計(jì)；

3、方法通用性強(qiáng)：RFdiffusion2 設(shè)計(jì)適用于多種化學(xué)反應(yīng)，有望推動(dòng)整個(gè)酶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展。

總的來說，這項(xiàng)研究不僅展示了人工智能在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大能力，更開辟了創(chuàng)造全新生物催化劑的可行路徑，為合成生物學(xué)和綠色化學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。

論文鏈接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09746-w

2. https://www.nature.com/articles/s41592-025-02975-x