近日，华南理工大学食品科学与工程学院吴晓玲教授和娄文勇教授团队在酶工程与生物催化领域取得具有里程碑意义的研究成果。该成果以 “Computationalrational design of unspecific peroxygenase for C-H oxidation” 为题，于2026年1月30日在Science子刊Science Advances上在线发表。
该研究提出了一种计算机辅助设计酶催化剂的新策略，显著缩小了实验工作量，快速获得了高性能酶突变体，并结合计算深入解析了其机制。该研究为高效生物催化剂的设计提供了新范式，为推进食品与医药绿色生物制造提供了研究基础。
C-H键氧化是合成化学中的关键反应，其氧化产物手性醇等物质在食品和精细化工等领域具有广泛需求。非特异性过氧化物酶（UPOs）作为极具潜力的生物催化剂，可直接利用过氧化氢氧化未活化的C-H键，且无需烟酰胺辅因子，相比传统化学氧化剂和细胞色素P450单加氧酶，具有选择性高、环境友好等显著优势。然而，天然UPOs普遍存在催化效率低、选择性不佳等不足，严重限制了其工业化应用。传统定向进化方法需构建庞大突变体库进行筛选，效率低下；而机器学习辅助设计则受限于特定酶系统的实验数据不足，难以实现精准预测。
为解决这一难题，团队创新性地提出了多策略整合的计算理性设计方法。研究团队以短链UPO（CviUPO）为研究对象，整合HotSpot Wizard、分子对接、底物通道分析、多序列比对和分子动力学（MD）模拟等五种计算工具，系统筛选热点氨基酸残基，成功构建了高质量小型突变体库。通过FuncLib算法优化突变组合，避免了单一计算方法的局限性，大幅降低了实验筛选成本。
研究发现，赖氨酸165（K165）是调控UPOs活性与对映选择性的关键氨基酸残基：其与活性中间体Cpd I形成的氢键会阻碍底物结合，而K165L突变可破坏该氢键并增强活性中心疏水性，显著提升催化效率。进一步研究证实，突变体的优异性能源于正上位性效应——K165L与其他四个突变（L64Q、Q154L、I157K、T158L）的协同作用，使突变体D9对6-溴苯并吡喃的催化活性较野生型提升13倍，对映选择性高达99%以上。突变体展现出广泛的底物适应性，对茚满、34二氢苯并吡喃、含氮杂环等多种底物均实现了活性与选择性的同步提升，且该设计策略可推广至其他短链UPOs，为系列高效生物催化剂的开发奠定了基础。
分子动力学模拟揭示了突变体高效催化的分子机制：K165L突变缩小了催化口袋体积并与其他突变重塑了催化口袋，可形成稳定的底物结合构象，减少了无效结合模式，从而实现近完美的对映选择性控制。该研究阐明了正上位性在UPOs进化中的核心驱动作用，构建的适应性进化景观为酶的定向设计提供了直观指导。
该成果成功解决了UPOs催化效率与选择性不足的关键瓶颈，完整建立了“计算预测-上位性图谱-构象分析”的酶改造工作流程，为其他酶系统的定向改造提供了重要参考。所构建的酶突变体有望在食品功能因子、工业生物催化、医药中间体制备等领域实现广泛应用，助力食品与医药的绿色高质量发展。本研究是该课题组继氢键工程调控人工酶催化活性（Nature Communications, 2023,14, 5974）后，在氢键如何调控天然酶催化选择性方面深入探究的又一力作。
论文第一单位为华南理工大学，第一作者为华南理工大学食品科学与工程学院博士生高睿辰、北京师范大学文理学院博士生付晓迪（共同一作），通讯作者包括清华大学戈钧教授、代尔夫特理工大学Frank Hollmann教授、北京师范大学王展峰教授、华南理工大学娄文勇教授和吴晓玲教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省杰青等项目支持。
附：成果原文链接 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb6329
文字：吴晓玲
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