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合理的な酵素最適化のためのドメインおよびループエンジニアリング

クリエイティブ酵素 オファー ドメインおよびループエンジニアリングサービス 私たちの包括的なプラットフォームの一部として 合理的酵素最適化タンパク質ドメインと柔軟なループの構造的ダイナミクスに焦点を当てることで、我々は酵素を合理的に再設計し、優れた活性、安定性、特異性、または基質適応性を達成します。高度な計算モデリング、構造解析、分子シミュレーションを使用して、専門家は酵素の構造的柔軟性と触媒作用を制御するドメインインターフェースやループ領域を特定し、修正します。

このサービスは、酵素改善への正確でメカニズムに基づくアプローチを提供します。これは、従来の突然変異導入アプローチが限界に達したプロジェクトに最適です。

ドメインとループエンジニアリングの理解

酵素 モジュラー分子機械は、異なるドメインと柔軟なループ領域で構成され、触媒作用を促進するために協力します。活性部位内の触媒残基は重要ですが、ドメインやループの動きや相互作用は、基質のアクセス、生成物の放出、さまざまな条件下での安定性を支配することが多いです。

ドメインエンジニアリング 新しい触媒機能、基質結合特性、またはアロステリック制御を導入するために、全体の構造ドメインを修正、交換、または再配置することが含まれます。 ループエンジニアリング一方で、活性部位の近くまたは内部にある動的要素を微調整し、ループの長さ、柔軟性、または残基の組成を調整して基質の適合性、反応速度、または熱安定性を向上させます。

Principle of domain swapping for rational enzyme optimization図1. ドメインスワッピングの概念図、これはドメインエンジニアリングの一種です。(Nandwaniからの改編) 他の人々., 2019)

Loop engineering for rational enzyme optimization図2. 酵素におけるリッドループ。(Barozetからの改変) 他者., 2021)

計算モデリングとバイオインフォマティクスに導かれたこれらの領域の合理的設計は、構造的完全性を損なうことなくターゲットを絞った強化を可能にします。クリエイティブエンザイムズは、ドメインおよびループエンジニアリングサービスを通じて、構造ベースのアルゴリズム、分子動力学シミュレーション、実験的検証を適用し、予測可能で堅牢な性能を持つ最適化された酵素を開発します。

私たちのドメインおよびループ最適化戦略は、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、リガーゼなど、幅広い酵素クラスに成功裏に適用されており、製薬製造、グリーンケミストリー、産業バイオテクノロジーなどの多様な用途に役立っています。

ドメインおよびループエンジニアリング:サービスと能力

Creative Enzymesは、合理的な計算設計と実験的検証を組み合わせたドメインおよびループエンジニアリングのエンドツーエンドソリューションを提供しています。私たちの提供内容には以下が含まれます:

構造解析とターゲット同定

  • 構造データと配列データを用いたドメイン境界とループ領域の詳細なマッピング。
  • 修飾のための柔軟で不安定、または触媒に関連するループの特定。
  • 酵素の折りたたみ、アロステリー、または多量体化に影響を与える領域を検出するためのドメイン相互作用解析。

ドメインおよびループバリアントの計算設計

  • 分子動力学(MD)シミュレーションによる構造的柔軟性とドメイン運動の解析。
  • エネルギーランドスケープと残基相互作用解析による重要な安定化領域または可動領域の特定。
  • インシリコ 機能向上のためのループ長変異体またはドメイン再結合モデルの設計。

ドメインのスワッピングと組換え

  • ホモログ酵素からのドメインの合理的な置換または融合により、新しい活性や特異性を導入する。
  • 触媒領域間の最適な折りたたみと通信のためのインタードメインリンカーの設計。
  • 計算ドッキングおよび折りたたみシミュレーションを用いた安定性と機能の評価。

ループの修正と最適化

  • 触媒作用の改善のためのループ長、電荷分布、疎水性の指向的変更。
  • 分子モデリングに基づくループ残基の挿入、削除、または置換。
  • 熱安定性、基質適合性、または回転率の向上のための柔軟なループの最適化。

実験的構築とスクリーニング

  • ループ/ドメイン修飾のためのサイト指向または組換えベースの突然変異導入。
  • 設計された変異体の発現、精製、および動力学的テスト。
  • 高スループットスクリーニングによる活性と安定性の向上。

構造および機能の検証

  • 円偏光二色性(CD)、差動走査蛍光法(DSF)、および酵素動力学解析。
  • エンジニアリングされた構造変化を確認するためのオプショナルな結晶化と計算的精製。

サービスワークフロー

Service workflow of enzyme domain and loop engineering at Creative Enzymes

成果物

モジュール 成果物
構造モデリングと分析 3Dモデル、ドメイン/ループマッピングレポート
ドメインとループデザイン バリアント提案、エネルギースコアリング
シミュレーションと検証 MDシミュレーション報告書、安定性予測
変異原性と発現 検証済みクローン、精製された酵素
機能的特性評価 運動データ、安定性解析
最終報告 包括的な結果、推奨事項

問い合わせ

なぜクリエイティブエンザイムを選ぶのか

包括的な合理的設計の専門知識

私たちは、先進的な計算手法を実用的な酵素生化学と統合し、すべての設計された変異体が科学的に根拠があり、実験的に検証されていることを保証します。

深い構造的洞察

私たちのチームは、標準的な突然変異導入では見落とされがちな柔軟な領域に焦点を当て、酵素の構造と機能の関係を専門としています。

高精度計算モデルリング

最先端の分子動力学シミュレーションとエネルギーに基づくアルゴリズムを利用して、現実的な酵素の立体構造と性能を予測します。

カスタマイズされた目標指向のデザイン

各プロジェクトは、酵素の安定性の向上から多ドメイン融合触媒の設計まで、クライアントの特定の要件に合わせてカスタマイズされています。

他のエンジニアリングサービスとのシームレスな統合

ドメインおよびループエンジニアリングプロジェクトは、同じワークフロー内で計算モデリング、突然変異導入、および発現サービスによって補完されることがあります。

機密性と品質へのコミットメント

私たちは、プロジェクトのすべての段階でデータの整合性、再現性、および完全なクライアントの機密性を確保します。

代表的なケーススタディ

ケース1:半合理的設計による強化低温キシラナーゼ

キシラナーゼは、セルロースと共にリグノセルロースバイオマスの分解に重要な役割を果たします。その低温での性能を向上させるために、構造に基づいた半合理的設計が適用されました。 ビスポラ sp. MEY-1 XYL10C_∆N。テストされた変異体の中で、M53S/F54L/N207G変異体は、野生型と比較して特異的活性が2.9倍、40°Cでの触媒効率が2.8倍向上し、熱安定性も改善されました(融解温度 +7.7°C)。セルラーゼと組み合わせることで、この変異体はトウモロコシの茎、小麦ふすま、トウモロコシの芯からの還元糖収量を最大1.9倍に増加させました。この研究は、ループ2が低温活性効率と産業的潜在能力の重要な決定因子であることを示しています。

Improvement of XYL10C_∆N catalytic performance through loop engineering for lignocellulosic biomass utilization in feed and fuel industries図3. 触媒効率に関連する構造解析。画像AおよびBは、XYL10C_∆Nおよびその変異体M53S/F54L/N207Gの触媒トンネル内の残基との間のxyloheptaoseの確認と相互作用を示しています。Cでは、XYL10C_∆Nおよび変異体M53S/F54L/N207Gの結合自由エネルギー値が分子力学ポアソン–ボルツマン表面積を用いて計算されました。 他者., 2021)

ケース2:酵素特異性を変更するためのドメインスワッピング

この研究では、酵素の基質特異性を修正し、同系タンパク質における構造-機能関係を理解するための戦略として、タンパク質ドメインのスワッピングを探求しました。機能的ドメインを熱耐性のα/β加水分解酵素であるカルボキシルエステラーゼ(AFEST)とアシルペプチド加水分解酵素(apAPH)間で移植することによって、2つのキメラ酵素AAM7とPARが作成されました。スプライシング部位の慎重な選択とインターフェースの最適化により、構造的な混乱が最小限に抑えられました。両方のキメラは熱安定性を保持し、それぞれの親酵素に類似した基質の好みを示しました—AAM7は短鎖エステル(pNPC4)に対して、PARは中鎖エステル(pNPC8)に対して特異的でした。この結果は、基質結合ドメインが主に酵素の特異性を支配し、最適化されたインターフェースが成功したドメイン融合を保証することを示しています。

Alteration of substrate specificities of thermophilic α/β hydrolases through domain swapping and domain interface optimization図4. 親のAFEST(赤、PDB ID: 1JJI)とapAPH(青、PDB ID: 1VE6)の構造、およびキメラPA、AAのモデル構造。交差点が示されています。(Zhou) 他の著者., 2012)

ドメインおよびループエンジニアリング:よくある質問

  • ドメインエンジニアリングとループエンジニアリングの違いは何ですか?

    A: ドメインエンジニアリングは、異なる生化学的機能を果たす構造領域全体を修正または交換することに焦点を当てていますが、ループエンジニアリングは、酵素の柔軟性、触媒作用、および安定性に影響を与える構造要素を接続する短く柔軟な領域を対象としています。
  • Q: 一つのプロジェクトで計算作業と実験作業の両方を行うことはできますか?

    はい。私たちは、計算モデルとシミュレーションから実験的変異原性、発現、そして生化学的検証に至るまで、完全に統合されたワークフローを提供しています。
  • プロジェクトを開始するために必要なデータの種類は何ですか?

    A: タンパク質配列、既知の結晶構造、またはホモロジーモデルから始めることができます。いずれも利用できない場合、私たちのチームはデータベースと予測アルゴリズムを使用して配列アラインメントとモデル生成を行うことができます。
  • このサービスを利用して改善できる酵素の特性は何ですか?

    私たちのドメインおよびループ工学アプローチは、活性、安定性、基質特異性、補因子の好み、pH耐性、熱力学的堅牢性を向上させることができます。
  • Q: どのループやドメインを修正すべきかをどのように予測しますか?

    A: 我々は、分子動力学シミュレーション、エネルギーマッピング、および進化的保存解析を適用して、修正から最も利益を得る可能性が高い構造的に重要または柔軟な領域を特定します。
  • 全体のプロセスにはどれくらいの時間がかかりますか?

    A: 複雑さに応じて、完全な設計–検証サイクルは通常6~10週間かかります。これには計算分析、突然変異導入、発現、および特性評価が含まれます。
  • Q: クライアントの機密を保持しますか?

    A: もちろんです。すべてのクライアントデータ、シーケンス、および結果は厳格な機密保持契約の下で取り扱われ、プロジェクトのライフサイクル全体にわたって安全に保管されます。
  • Q: エンジニアリングされた酵素は、他のクリエイティブエンザイムサービスを通じてさらに最適化できますか?

    A: はい。私たちは提供しています。 指向性進化標的指向変異導入法計算モデル化ドメインおよびループエンジニアリングを最大限に最適化するために補完できる構造分析サービス。

参考文献:

  1. Barozet A、Chacón P、Cortés J。柔軟なループモデリングに関する現在のアプローチ。 構造生物学における最新の研究2021年;3:187-191. doi:10.1016/j.crstbi.2021.07.002
  2. ナンドワニ N、スラナ P、ネギ H、 他者タンパク質のドメインスワッピング設計のための五残基モチーフ。 ナチュラル・コミュニケーション2019年; 10(1): 452. doi:10.1038/s41467-019-08295-x
  3. ソング C、グ ジ、レン H、 他の人々酵素におけるループ工学:構造から機能へのメカニズム、方法論、および工学戦略。 バイオテクノロジーの進展2025;85:108716。doi:10.1016/j.biotechadv.2025.108716
  4. あなた S、Zha Z、Li J、 他の人々フィードおよび燃料産業におけるリグノセルロースバイオマス利用のためのループエンジニアリングによるXYL10C_∆N触媒性能の向上。 バイオテクノロジー バイオ燃料2021;14(1):195. doi:10.1186/s13068-021-02044-3
  5. 周 X、王 H、張 Y、高 L、冯 Y。ドメインスワッピングとドメインインターフェースの最適化による熱水性α/βヒドロラーゼの基質特異性の変化。 ABBS2012;44(12):965-973. doi:10.1093/abbs/gms086

研究および産業用途にのみご使用ください。個人医療用途には適していません。一部の食品グレード製品は、食品および関連用途における処方開発に適しています。

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