计算机辅助酶耐热性研究及分子设计

论文摘要

酶在现代合成工业中具有重要作用,并在工业应用上对酶分子热稳定性有较高的要求。近年来,国内外的研究者运用各种生物信息学工具模拟自然进化设计生物酶,通常都会选择三种方法:理性设计、定向进化和半理性设计。本实验室在CALB的基础上进行了酶分子耐热性研究,得到了热稳定性提高的3个突变子,首先通过同源建模方法预测酶分子的空间结构;获得酶分子的空间结构后,使用分子对接方法预测突变后的酶分子与底物结合的情况;最后使用分子动力学模拟的方法模拟酶分子在水溶液中的运动轨迹并计算与热稳定性相关的参数,从酶的分子空间结构、整体能量、RMSD值等方面分析了其热稳定性提高的机理。本文使用分子动力学模拟的方法验证了已有文献报道的β-葡萄糖酸苷酶、黑曲霉植酸酶、大肠杆菌AppA2植酸酶、Bacillus subtilis冷激蛋白、人体腺苷A2a受体等5组共32个酶分子的热稳定性与整体能量和RMSD值的关系,准确率达88%,相关系数>0.8。另一方面,使用B-FITTER软件计算了CALB中氨基酸的B值,并突变了CALB中B值较高的几个位点,通过分子动力学模拟的方法计算,得到了一个热稳定性提高的突变子CALBM。利用实验验证,发现CALBM的热稳定性要高于野生型CALB。生物信息学以及计算机科学的发展为生物学开辟了新的前景。大规模高性能计算机及相关软件的使用,使得我们可以用计算机模拟的方法进行生物学实验,大幅度的提高了实验效率并有效的降低了实验成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 南极假丝酵母脂肪酶B
• 1.1.1 CALB 的起源
• 1.1.2 CALB 的结构
• 1.1.3 CALB 的应用及存在问题
• 1.2 影响酶分子催化性质的因素
• 1.2.1 疏水性
• 1.2.2 氨基酸的组成及属性
• 1.2.3 氢键
• 1.2.4 二硫键
• 1.2.5 离子对
• 1.3 酶分子改造的方法
• 1.3.1 定向进化
• 1.3.2 半理性设计
• 1.4 生物信息学
• 1.4.1 生物信息学概述
• 1.4.2 生物信息学应用
• 1.4.3 同源建模
• 1.4.4 分子对接
• 1.4.5 分子动力学模拟
• 1.5 本课题的主要工作及研究意义
• 第二章 分子动力学模拟方法的建立
• 2.1 研究对象与计算资源
• 2.1.1 研究对象
• 2.1.2 计算平台
• 2.1.3 相关软件
• 2.2 实验流程
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 常用数据库
• 2.3.2 同源建模
• 2.3.3 分子对接
• 2.3.4 分子动力学模拟
• 第三章 分子动力学模拟方法的应用及验证
• 3.1 同源建模构建CALB 空间结构
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 实验结果
• 3.2 CALB 及突变子分子对接
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 CALB 及突变子的分子动力学模拟
• 3.3.1 实验材料
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 分子动力学模拟方法的验证
• 3.4.1 实验材料
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 计算机辅助分子设计
• 4.1 实验材料
• 4.1.1 突变位点
• 4.1.2 计算平台
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 同源建模结果
• 4.2.2 分子对接结果
• 4.2.3 分子动力学模拟结果
• 4.2.4 实验验证结果
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果
• 附录
• 致谢