6月2日,中国科学院深圳先进技术研究院司同课题组联合中国医学科学院杨兆勇课题组,在国际学术期刊Chemical Science在线发表研究论文“Directed evolution of a cyclodipeptide synthase with new activities via label-free mass spectrometric screening”。文章依托深圳合成生物研究重大科技基础设施(简称为“合成生物大设施”),开发了无标记质谱筛选技术,应用于环二肽合酶的定向进化改造,快速得到了F186L突变体催化合成野生型天然酶无法产生的新二酮哌嗪分子。司同研究员和杨兆勇研究员为本文共同通讯作者,张嵩亚、朱静助理研究助理为共同第一作者。
本研究依托深圳合成生物大设施的机器人平台,针对酶突变文库构建和筛选过程中的不同环节,如分子克隆、微生物培养、产物乙酸乙酯萃取、MALDI-TOF质谱分析、数据处理等,开发了对应的自动化流程和方法,实现了微生物发酵产物的无标记质谱筛选,通量为每样品5秒钟(图1)。
作者以链霉菌Streptomyces noursei来源的AlbC作为研究模型,使用大肠杆菌底盘进行文库构建与筛选。重组表达野生型AlbC的大肠杆菌的主要环二肽产物为cFL。作者首先利用半理性设计,选取底物结合口袋附近的10个位点及口袋外与tRNA密切作用的4个位点,构建和筛选了定点饱和突变(site-saturation mutagenesis, SSM),快速发现了多个产物谱发生明显变化的突变体。其中,有文献报道的8个突变体数据与本文实验结果相符,验证了方法的可行性与准确性;在此基础上,结合新的质谱筛选方法,本文首次对选取的14个位点的266个可能突变体中的238个进行了系统性表征,大大拓展了环二肽酶关键位点的突变效应数据。遗憾的是,从半理性设计文库中并未发现可以合成新产物的AlbC突变体。
综上,文章依托深圳合成生物大设施的机器人平台,开发了面向酶定向进化的无标记质谱筛选技术,在新催化活性发现这一工程目标方面进行了概念性验证。未来发展方向包括进一步提高筛选通量、扩大适用分子范围、对接不同类型质谱仪等。
本研究得到国家重点研发计划、国家自然基金等项目支持。
PI与课题组简介:
司同,中科院深圳先进院合成生物学研究所研究员,博士生导师。国家重点研发计划合成生物学项目首席科学家,国家高层次人才(青年),深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师。课题组方向为自动化合成生物技术,包括机器学习指导蛋白工程、高通量质谱筛选等,用于开发微生物细胞工厂研究和生产燃料、化工品、药物等重要分子,前期成果在Nature Communications, JACS, Angew Chemie,Metabolic Engineering等国际著名学术期刊发表论文40余篇,“谷歌学术”引用超过2200次。
课题组长期致力于面向合成生物研究开发高通量质谱仪器和新方法,现招聘质谱、仪器分析、微流控方向博士后、工程师和访问学生等,有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至tong.si@siat.ac.cn。
实验室主页:
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