文\化學系 朱忠瀚、陳慧妮

Microcin J25（簡稱MccJ25）是一個具有抗生素活性的胜肽，它碳端的尾巴穿過氮端的內醯胺大環（macrolactam ring），形成一個類似套索的特殊結構（下圖a），因而被歸類為「套索胜肽（lasso peptide）」。MccJ25是第一個套索胜肽，於1992年被發現，隨後立即吸引了許多科學家的目光。它的特殊結構使它在面對加熱、蛋白質降解等壓力時，都表現出極佳的穩定性。如今已經有超過80種套索肽被發現，然而，經過三十多年的努力，我們對這類胜肽的了解依舊非常有限，大自然到底是如何利用酵素合成出「套索」結構，仍然是個未解的謎題。

以MccJ25為例，目前已知McjA是其前驅物，包含了一段前導肽（leader）及一段核心肽（core）；McjB 為蛋白酶（下圖b），在經由與前導肽結合後會被激活，並且於前導肽與核心肽之交界處將其切斷； McjC是套索合成酶，它以ATP為能量來源，將被切下的核心肽環化為最終的套索胜肽產物，也就是所謂的 MccJ25（下圖c）。這三個蛋白質的純化和處理極為困難，增加了此項研究的挑戰性。先前報導得到一些間接證據，推測MccJ25的合成步驟可能以（近乎）協同的方式進行，但分子層次的細節並不清楚。為了填補這一知識盲區，並且已知處理McjA、McjB和McjC的困難，我們於是利用AlphaFold預測McjA與其生物酵素McjB和McjC的三元複合體結構，並透過蛋白質工程對關鍵的結構特徵進行了探究與驗證。

此一系列工作由朱忠瀚實驗室的碩士班學生陳慧妮領銜，首批研究成果剛發表於《美國化學會 化學生物學（ACS Chemical Biology）》。基於AlphaFold所預測的結構，我們設計了各種蛋白變異體，證實了McjB在點突變、一分為二，甚至環狀重排後，仍能保持其功能，並且與 McjC合作 形成高效的酵素複合體。此外，我們也成功鑑定出McjB辨識McjA至關重要的特定位點，透過補償性點突變（synthetic rescue），成功恢復 McjA/McjB 的相互作用，以McjBM108T挽救原本幾乎無生產力的前驅物變異體（McjAT–2M）。由於 McjA、McjB 和 McjC 的實驗操作有著諸多限制，其研究一直受到阻礙，我們的研究結果顯示AlphaFold 預測的三元複合體結構是理解 MccJ25 生物合成的合理起點，而我們認為更重要且意義深遠的是，此項研究展示了「人工智慧」與「實驗驗證」相輔相成的新合作模式。