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在微生物合成生物学中，植物来源的基因如何适应微生物微环境是一个关键问题。云南师范大学研究员尚轶团队，历经十年，开发了一款名为REvoDesign的植物酶基因改造工具，结合理性设计、进化计算等，实现了对植物酶基因的高效改造。
尚轶介绍，REvoDesign源于解决植物来源基因在微生物底盘中适应性的挑战——传统代谢工程中，植物酶、调控酶及转运蛋白在微生物微环境中常面临上位效应、稳定性与活性平衡等难题，而工业级蛋白设计工具（如RoseTTa、AlphaFold）依赖高通量数据和专业操作，难以满足实验室级需求。REvoDesign创新性整合“理性设计”与“定向进化”，通过挖掘组学大数据中的进化信息（保守性、共进化性），聚焦蛋白表面及活性中心，实现可视化、低实验通量的精准酶改造，有效规避传统工具的局限。
在合成生物学领域，科研团队以β-胡萝卜素合成为例，通过REvoDesign设计了50个突变体，筛选出突破底物抑制的关键酶突变体，结合酵母底盘优化，构建出工业级高产菌株。
在农业育种应用中，REvoDesign也展现出跨作物改良的潜力：针对马铃薯主粮化面临的蛋白含量低、面团结构松散问题，科研团队通过共进化分析在储藏蛋白表面引入半胱氨酸，形成二硫键增强蛋白聚合能力，显著提升面粉粘度；针对二倍体马铃薯自交系育种瓶颈，通过对关键基因进行改造，有望突破马铃薯自交/杂交不亲和障碍；在病原菌研究中，通过三维结构比对，发现青枯病菌效应蛋白的保守结构（β-折叠、α-螺旋等），揭示其通过结合RNA抑制植物抗病基因表达的新机制，为抗病育种提供靶点。
尚轶表示，REvoDesign的核心优势在于打破单一技术路径，将自然进化的“经验”与计算设计结合，既适用于微生物合成生物学的酶工程优化，也可拓展至作物蛋白改造、病原菌功能解析等育种场景，为实验室级精准分子设计提供了高效工具。随着人工智能与海量组学数据的深度融合，该工具有望进一步挖掘进化线索，加速蛋白功能解析与作物改良，推动基础研究向产业应用的转化。
【思维要点】
研究背景与初衷
过去利用多组学技术解析植物化合物合成调控，但在将植物来源的基因应用于微生物如酵母中进行高附加值化合物合成时，面临植物来源基因如何适应微生物微环境的问题，这促使研究团队开展酶改造、设计工作。
蛋白设计领域现状及问题
目前主要有理性设计、定向进化等技术。现有工业级蛋白设计工具（如RoseTTa、AlphaFold）虽然好用，但存在操作要求高、需要大量数据等问题，难以满足实验室级需求。
REvoDesign工具及特点
鉴于上述挑战，团队开发了REvoDesign工具，融合了理性设计和进化理念，聚焦蛋白表面和活性中心，解决稳定性与活性的平衡问题；设计实验少，适合实验室级别使用；具备可视化、整合多种蛋白设计功能等优势。
应用案例
1.在合成生物学方面，以β-胡萝卜素和番茄红素为例，展示了如何通过改造酶来克服底物抑制问题，并提高目标产物产量。
2.在马铃薯研究中，尝试通过对储存蛋白进行改造，改善马铃薯作为粮食作物的特性。
3.介绍了在二倍体马铃薯育种中的应用，对关键基因进行研究，利用REvoDesign优化其功能以打破自交不亲和性。
4.对病原菌效应子的研究，揭示了它们与宿主植物互作的新机制，并发现了新的抗病基因。
未来展望
强调了人工智能和大数据在蛋白质结构预测及功能研究中的重要性，认为结合自然界的进化实验数据与现代计算技术，可以加速科学研究进程。
【专家简介】
尚轶，云南师范大学马铃薯科学研究院研究员、清华大学理学博士、国家高层次人才青年学者（2018-2020）和特聘教授（2022-2026）、云南省“兴滇英才支持计划”云岭学者（2022）。主要研究方向为分子生物学、次生代谢、合成生物学。获国家自然科学二等奖1项、第十届云南省青年科技奖、国家发明专利20余项。
制作：肖春芳 张智豪（实习）
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