基于细胞因子支架的多核金属酶设计：兼具内源与外源催化活性的合成生物学新工具

研究人员针对人工金属酶设计中多核金属中心构建困难及天然蛋白功能丧失的难题，以人源巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)为支架，通过几何优化与量子化学计算精准设计三核锌(Zn3)活性中心，成功开发出兼具高效水解活性和保留天然异构酶功能的"双功能"金属酶。该成果为合成生物学提供了可自适应调控生命过程的工具，发表于《Nature Communications》。

　　

在生命科学领域，金属酶因其独特的催化能力成为研究热点。然而，传统人工金属酶设计面临两大瓶颈：一是难以精确构建自然界罕见的复杂多核金属中心，二是改造过程中常导致天然蛋白功能丧失。这就像试图给智能手机添加新功能时，要么无法安装复杂程序，要么会删除原有核心应用。针对这些挑战，日本东北大学（Tohoku University）FRIS研究所的Yasunori Okamoto团队开展了一项突破性研究，通过将合成三核锌复合物精准植入人源巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)的β-桶状空腔，创造出同时保留天然功能与获得人工催化活性的"双功能"金属酶，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究团队采用多学科交叉技术：1) 基于Python脚本的几何筛选结合密度泛函理论(DFT)优化金属中心设计；2) X射线晶体学解析2.1?分辨率结构验证设计准确性；3) 分子动力学模拟分析蛋白空腔稳定性；4) 等温滴定量热法(ITC)测定锌结合亲和力(K_d=8.9μM)；5) 酶动力学分析比较水解(pNA为底物)与异构酶(4-HPP为底物)活性。

设计策略验证
通过系统筛选1281种几何构型，发现S61₂-H63₁-Y100₂组氨酸组合使三核锌中心稳定性提高54.6 kcal/mol。晶体结构显示Zn₃-MIF(Y100H)中锌离子与组氨酸配位的RMSD仅0.900?，证实计算设计的精确性。

催化性能突破
Zn₃-MIF(Y100H)在生理pH(7.9)下展现46.0 M^-1s^-1的k_cat/K_M值，较野生型活性提升19倍，且优于多数单核锌人工酶在碱性条件下的表现。氯离子竞争实验证实水解通过锌-羟基中间体进行。

功能兼容性
关键发现在于改造后的金属酶仍保留53%天然异构酶活性。结构分析显示，尽管三核锌中心改变了H63-Y100间水分子网络，但表面催化残基(P1/K32)构象保持不变，实现功能正交。

这项研究开创性地证明：1) 蛋白质可作为"智能配体"精确组装非天然多核金属中心；2) 内部空腔改造可避免干扰表面功能位点，为设计" moonlighting"人工酶提供范式；3) 基于细胞因子的设计使金属酶具备响应生理信号的潜力。该成果不仅拓展了人工金属酶在合成生物学中的应用场景，更为开发自适应性生物调控工具奠定基础。正如通讯作者Okamoto指出："这种像瑞士军刀般的多功能设计，或将开启精准医疗的新篇章。"