筛选是酶定向进化的瓶颈。酶理性设计及计算机虚拟筛选技术可有效解决这一瓶颈，是定向进化领域的重要发展方向。近年来基于构象动力学指导的酶理性设计取得一系列成功，该策略的关键是精准定位残基位点，通过引入合适突变，增强催化口袋的构象变化，进而改造底物谱、对映体选择性及热稳定性等催化特性。
中科院天津工业生物技术研究所孙周通研究员带领的酶分子工程与工业生物催化研究团队围绕这一热点领域，以嗜热醇脱氢酶TbSADH及其非天然前手性酮底物为研究对象。基于TbSADH晶体结构，分别在30°C和60°C下对该酶进行分子动力学（MD）模拟，结果表明催化口袋内的A85、I86、L294及C295位点的运动自由度较差（图1a）。经虚拟突变分析，锁定85及86位点为重点改造对象。采用CAST策略构建小而精的突变体文库，仅筛选100多个突变体，即获得高效突变体，实现酶催化活力（98% conv.）与立体选择性（99% ee）双参数同时改造。此外，经MD模拟分析，发现最优突变体（A85G/I86L）改造后位点所在loop区域柔性（图1b）明显强于野生型（图1c），且催化口袋体积增大，证明在85和86位点引入突变可有效重塑酶催化口袋。综上，本研究通过在TbSADH活性位点loop区域引入合适突变，可有效重塑酶催化口袋，赋予其不对称催化还原非天然前手性酮底物的能力；同时为将来类似的酶改造工作提供理论指导。
上述研究得到国家自然科学基金等项目资助，相关结果已在线发表于国际期刊Advanced Synthesis & Catalysis。
图1. (a) 催化口袋各位点运动性分析；(b)最优突变体及(c)野生型改造位点所在loop区域柔性
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