计算设计“超能酶”，给DNA合成加上“发动机”

想象一下，你手里有一台分子级别的“打印机”，可以按照需求“打印”出任意长度的DNA链。其实这样的“打印机”在自然界中确实存在，它就是末端脱氧核苷酸转移酶（Terminal Deoxynucleotidyl Transferase, TdT）。TdT酶的神奇之处在于，它不需要DNA模板，就能像自由发挥的画家一样，将脱氧核苷酸随机添加到单链DNA的末端。这种能力让它成为合成生物学的重要工具，比如帮助科学家合成新基因、制造疫苗，甚至修复受损的DNA。然而天然TdT存在热稳定性差、催化效率低等问题，限制了其在工业规模DNA合成中的应用。为了解决这些问题，科学家们决定用计算设计的方法，对TdT酶进行改造，让它变成耐高温、高效率的“超级工具”。

近期，浙江大学杭州国际科创中心（以下简称“科创中心”）于浩然研究员采用人工智能算法ProteinMPNN、计算软件PROSS设计了十余种TdT突变体，使其熔解温度最高提高了24.3 °C，最优突变体M7−8的半衰期提高了77倍。相关研究以“Computational Design of a Thermostable and Highly Active Terminal Deoxynucleotidyl Transferase for Synthesis of Long De Novo DNA Molecules”为题，发表在ACS Catalysis上。

论文截图，科创中心供图

给酶“穿上”加固铠甲

如何改造TdT酶，这就像把一辆普通汽车升级改造成专业赛车，需要从结构、动力系统到操作性实现全面升级，而提升酶的耐热性和活性，就如同给赛车安上高性能的“发动机”。

“DNA的合成过程就像制作一条项链，如果合成时间变长，末端就会‘打卷’形成二级结构，阻碍下一步合成，解决的办法之一就是提高反应温度、破坏二级结构，恢复DNA的直链状态。我们的研究目标就是改造TdT酶，让它能够在高温条件下工作，帮助项链做得更长”，于浩然研究员说道。DNA是合成生物学的基石，只有拿到DNA基因序列，才能够转录成RNA序列，并通过翻译过程转换成蛋白质行使功能，而这项研究也让合成DNA的过程更加顺利。

左一为论文第一作者博士生牛亚丹、右一为于浩然研究员，科创中心供图

AI和“超能酶”的跨界融合

AI和合成生物，两个看起来完全独立的领域，是如何跨界融合的？

研究团队首次采用人工智能模型ProteinMPNN对截短的ZaTdT蛋白进行基于结构的重新设计，固定52个关键催化位点以保持功能。研究发现MP8在保持较高表达和热稳定性的同时，催化活性接近甚至优于野生型，这表明了结合蛋白质进化信息（PSSM）的蛋白质从头设计，有助于获得兼具稳定性和功能性的TdT突变体。

由ProteinMPNN生成的TdT的表现，科创中心供图

“跨界融合”的过程并非一帆风顺，团队初期设计出来的版本，酶的稳定性虽有提高，但活性却出现下降。研究团队经过对TdT同源序列的搜索和清洗，构建高质量的多序列比对文件，将其融合于蛋白质设计过程，有效提升了酶的稳定性和活性。这一过程就像给AI大模型输入高质量语料库并加以训练，当算法在生成一个新序列时，它会充分考虑前期“投喂”序列的进化规律，从而让序列变得更加稳定，并保持高活性。

改进突变体的活性和热稳定性，科创中心供图

TdT酶成功的计算设计，展现了计算生物学和人工智能算法的强大力量。“虚拟设计+实验验证”的方式不仅能优化自然界的酶，还能创造全新的分子机器。

从制药到DNA存储

DNA合成技术是服务细胞工厂构建、疫苗开发、治疗性抗体生产、基因治疗等的关键底层技术。使用热稳定性更高的TdT酶，可以在高温下快速合成更长的DNA链，大幅节约DNA合成成本、缩短研发时间。

另外，DNA作为携带生命核心“密码”的神秘大分子，可以发挥“硬盘”的功能角色，通过“A”“T”“C”“G”四进制进行信息存储。DNA存储密度极高，每克DNA的数据存储量能够达到215PB，相当于22万个1TB硬盘的数据存储量。另外，DNA存储的时间长，在没有特殊人工干预的情况下，能保存上千至上万年。于浩然说道。

未来，于浩然团队尝试通过设计自动化样机来提升工作效率，将实验流程自动化，高效合成可定制的DNA序列。“目前常用的化学法合成的DNA长度有限，而配合自动化设备，使用酶法合成DNA能在合成准确率、合成效率上得到提升、也能实现DNA合成长度的突破。”于浩然表示，后续自动化样机和科创中心所建立的iBioFoundry平台的联动运用，也将有力提升基础科研效率、推动产业落地转化进程。

“从2020年入园到现在，五年的时间里，科创中心给予了经费、场地、人员上的支持，让我们团队能够沉下心做研究。作为第一批‘老员工’，团队也有优秀的博士后留在了中心，看到中心发展势头越来越好，我打心底里高兴。”于浩然说道。