一、【科学背景】
金属水解酶作为一类依赖金属离子（如Zn2+、Fe3+）实现催化功能的酶分子，在生物代谢与环境污染物降解中具有不可替代的作用。在环境治理领域，该类酶可靶向降解塑料碎片、有机磷农药等人工合成污染物——这类污染物因存在时间短，自然界尚未进化出高效降解酶系，需通过人工设计补充。然而，天然金属水解酶的进化周期漫长，难以快速适配新型底物；传统蛋白质工程依赖初始酶的混杂活性，优化过程需大量筛选，无法实现“从无到有”的从头设计，极大限制了其应用拓展。
酶设计技术的兴起为解决上述问题提供了新思路，但其在金属水解酶设计中仍面临两大核心瓶颈。一方面，此前设计的金属水解酶催化效率极低，其催化效率远低于天然酶，且需经多轮实验优化才能接近实用水平；另一方面，主流设计工具存在显著的灵活性缺陷——需预先明确催化残基的序列位置与侧链构象，而仅组氨酸侧链构象与序列位置的组合空间即达1018种，无法穷尽最优解，也难以适配量子化学计算得到的理想活性中心几何结构。在此背景下，开发一种可衔接量子化学活性中心蓝图、自主优化蛋白质骨架的设计工具，实现无需实验优化即可直接生成高活性金属水解酶，成为该领域亟待突破的关键科学问题。
二、【创新成果】
为了解决上述难点，美国华盛顿大学David Baker教授，Indrek Kalvet教授，瑞士苏黎世联邦理工学院Donald Hilvert教授通过合作开发出新一代生成式AI模型RFdiffusion2，突破传统酶设计中催化残基序列位置与构象需手动指定的局限，可直接基于量子化学活性中心几何结构生成蛋白质骨架；依托该模型，无需实验优化即设计出ZETA_1等高活性锌金属水解酶，催化效率较此前设计提升数个数量级，部分接近天然酶水平；进一步通过晶体结构解析与计算预测，验证了设计模型的结构准确性及“预组织化活性中心”的催化机制，且证实设计酶具有新颖的蛋白质骨架。这些成果革新了从头酶设计技术，为新一代人工催化剂开发奠定基础。该成果以“Computational design of metallohydrolases”为题发表在国际学术期刊《Nature》。
图1. RFdiffusion2 设计方法。© 2025 Springer Nature Limited
图2. 活性表征与PLACER活性中心预组织评估。© 2025 Springer Nature Limited
图3. ZETA_1酶的活性表征。© 2025 Springer Nature Limited
图4. 第二轮设计酶的表征。© 2025 Springer Nature Limited
图5. ZETA_2的晶体结构与设计模型高度相似。© 2025 Springer Nature Limited
三、【科学启迪】
这项工作为酶工程与计算生物学领域带来重要科学启迪。证实了生成式AI与量子化学的深度融合，可突破传统酶设计的参数局限，形成从理论活性中心到功能蛋白的高效转化范式，为复杂酶分子从头设计提供可推广框架。明确了“预组织化活性中心”为高活性设计酶的核心特征，为设计方案高通量筛选提供关键理论依据。验证了AI能高效生成序列与结构新颖且功能有效的蛋白质骨架，既为定制化人工酶开发开辟新路径，也为研究蛋白质“结构-功能”关系提供了人工设计模型。
原文信息：Kim, D., Woodbury, S.M., Ahern, W. et al. Computational design of metallohydrolases. Nature (2025).
