近日，英国Cresset公司专栏报道并高度评价了西北农林科技大学现代药物研发团队2024年2月发表在《Journal of Hazardous Materials》（IF=12.2，中科院大类1区）上的关于蛋白质理性设计的研究工作。在该研究中，刘吉元教授等首次基于蛋白-配体的静电势互补（EC）技术，通过固定配体来对蛋白进行理性设计，大幅度提高了蛋白对配体的结合活性。
EC是英国Cresset公司开发的一种可快速量化和评估配体与蛋白结合口袋之间电荷匹配性的技术，该技术通过计算和比较在配体或蛋白的溶液可及表面上标定的顶点处的EC值（-1~1之间），生成EC等值面，并用不同颜色标示。这一等值面可作为视觉辅助工具，帮助研究人员识别不利的蛋白-配体相互作用，从而基于电荷互补性对结构进行优化，改善蛋白-配体结合性能。在之前的研究中，EC技术主要用于配体分子的优化，并未有在蛋白理性设计方面的相关应用。
刘吉元教授等人首次构建了一种基于EC技术的蛋白理性设计策略。该策略以海灰翅夜蛾Spodoptera littoralis信息素结合蛋白1（SlitPBP1）为目标蛋白，通过综合运用同源模建、分子对接、分子动力学模拟、单残基能量分解、EC等技术对SlitPBP1与溴氰菊酯（DeltaM）间的互作特征进行分析，发现Glu97（E97）残基与DeltaM末端苯环存在明显的电荷冲突，且贡献了极大地不利自由能（1.70 kcal/mol）。因此将其定为通过定点突变改善SlitPBP1-DeltaM结合性能的候选残基。进一步将E97系统性地突变为其他19种天然氨基酸，并通过Flare™中的EC评估每种突变体的蛋白-配体电荷互补性。发现将E97突变为Asp（E97D）、Phe（E97F）、Asn（E97N）或His（E97H）均改善了EC评分，并且没有引入其他不利的相互作用。体外结合试验结果显示，SlitPBP1的E97N突变体蛋白（SlitPBP1E97N）的DeltaM亲和度显著高于野生型SlitPBP1的，对应的解离常数（Kd）从21.77±1.41 μM降低至1.07±0.36 μM。
该团队重新评估了SlitPBP1E97N-DeltaM体系中各残基的能量贡献，发现其中Asp106（D106）的不利能量贡献超过了阈值（1.00 kcal/mol），因此将D106定为第二轮优化的突变目标。将D106突变为其他19种天然氨基酸，并通过Flare™中的EC评估每种突变体的蛋白-配体电荷互补性，最终锁定D106E突变为有益突变。体外结合试验表明，与单突变体及野生型相比，SlitPBP1E97ND106E双突变体对DeltaM的亲和度有显著提升，对应的Kd值（Kd=0.77±0.171 μM）达到纳摩级别。
将SlitPBP1E97ND106E固定在固相载体表面后，其对不同水环境中的拟除虫菊酯类杀虫剂均表现出高效的吸附能力（吸附率﹥90%），最高吸附率达到99.35%。该技术对环境中拟除虫菊酯类杀虫剂的去除能力及对环境条件的适应能力远优于当前普遍使用的生物降解等技术，具有进一步推广应用的潜力。
该研究详细阐述了如何使用EC技术对目标蛋白中亟待突变的氨基酸残基进行精准定位，并对有益突变进行理性筛选，从而实现目标蛋白中有益突变的快速累积，达到目标蛋白理性设计的目的。该研究为Cresset公司EC技术在蛋白质工程中的首次应用案例。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132856
Cresset专题报导链接：https://www.cresset-group.com/about/news/optimizing-binding-electrostatic-complementarity/