吴起课题组Nature Synthesis：机器学习赋能蛋白质精准改造，实现一个酶钥匙开八把立体选择性的锁

图1. 机器学习赋能蛋白质精准改造

将单一酶改造为一组立体互补的突变体，从而实现含有三个及以上手性中心产物全部立体异构体的制备，是生物合成和蛋白质工程领域面临的重大挑战。化学系吴起团队与英国女王大学黄美兰团队合作，利用机器学习赋能蛋白质工程，给酶定向进化装上了一套“高精度导航系统”，在近乎无穷的序列路径和复杂的立体选择性迷宫中，成功实现全部目标构型的精准定位，为复杂手性化合物的精准生物制造提供了新的范例。研究成果发表在Nature Synthesis上。

手性分子的绝对构型直接决定其生物活性与功能，发展高效、精准的立体发散性合成方法具有重要的学术价值与应用前景。含三个手性中心的化合物存在多达八种立体异构体，如何以单一催化体系实现全部异构体的可控制备，是合成化学与生物催化领域长期难题。虽然酶立体选择性的定向进化取得了很多进展，但将一个野生型酶骨架系统改造为覆盖全部八种立体异构体的互补突变体库，仍属蛋白质工程领域的挑战性目标。特别是随着突变位点的增加，突变组合数会呈指数级增长，使实验筛选成本难以承受。

针对上述挑战，研究团队基于此前发展的聚焦理性迭代定点突变（FRISM）策略在双手性中心产物酶手性调控中取得的成功，进一步与英国女王大学黄美兰课题组合作发展了BioStrucTag混合机器学习框架：将酶活性口袋的三维结构映射为三维体素化网格，结合ESM2 Transformer蛋白质语言模型提取酶的序列特征。两类特征拼接后输入回归模型，以FRISM策略构建的初始实验数据训练，预测新突变体对目标构型的立体选择性。每轮预测选取排名前五的候选突变体进行实验验证，并将新数据回灌训练集迭代优化。

研究以2-甲基-2-苄基-1,3-环戊二酮（1a）为模型底物，以来源于短乳杆菌（Lactobacillus brevis）的醇脱氢酶（LbADH）为改造模板，目标产物涵盖部分还原生成的4种β-羟基酮（含两个手性中心）及完全还原生成的4种1,3-环二醇（含三个手性中心），共8种立体异构体（图2）。团队首先利用FRISM策略对活性口袋附近11个热点残基进行定点突变筛选，分别获得了高选择性生成(2R,3R)-、(2S,3R)-与(2S,3S)-构型β-羟基酮的三种突变体（选择性均大于95%）。随后，利用BioStrucTag进行不多于三轮的迭代预测与验证，成功获得了针对(2R,3S)-β-羟基酮以及(1R,3R)-、(1S,3S)-、(1R,2r,3S)-与(1R,2s,3S)-四种二醇构型具有高选择性的突变体（选择性均大于90%），上述结果充分彰显了机器学习在复杂酶立体选择性进化任务中的高效导航能力（图2）。

图2. LbADH的立体发散性改造，实现全部8种异构体产物的精准合成

团队进一步解析了突变体的晶体结构，并结合分子动力学模拟进行系统分析，以阐明立体选择性调控的分子基础。各个突变体的动力学数据测定进一步验证了突变体对各个构型产物催化效率的差异。四种最优β-羟基酮突变体及四种二醇突变体对具有多样性结构的系列底物均表现出良好适应性和突出的立体选择性，多数产物的非对映体比与对映体比达到99:1。放大实验结果表明这些突变体具有良好的合成应用前景。

结论：该研究建立了机器学习赋能的精准蛋白质改造新策略，使研究者能够在庞大的序列空间中精准定位各个不同立体选择性的最优突变组合，显著提升了定向进化的效率，成功将单一醇脱氢酶LbADH改造为一组立体互补的突变体家族，首次实现了一把酶钥匙开八个立体选择性的锁。该工作不仅拓展了立体发散性生物催化的边界，也为多手性中心化合物的绿色、高效合成提供了新的平台技术。

本研究得到国家自然科学基金（91956128、22277105、22577116、22111530114和22307111）、国家重点研发计划（2021YFC2102000）、浙江省自然科学基金（LZ24B020003）、中国博士后科学基金（2024M762794）等项目的资助。

化学系吴起教授、课题组毕业生徐维华博后、岑一欣博士（现上海中医药大学助理研究员）、英国贝尔法斯特女王大学黄美兰博士为论文共同通讯作者。鲁振宇博士与贝尔法斯特女王大学周家辉博士为论文共同第一作者，浙江大学化学系为第一作者单位。

文章信息：Access to all stereoisomers of chiral alcohols with multiple stereocentres enabled by machine learning-empowered protein engineering.

文章链接：https://doi.org/10.1038/s44160-026-01144-y

供稿：吴起课题组

编辑：夏琦、邹尔纯

终审：张曼华

审核：陆展