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江南大學(xué)鄧禹團(tuán)隊(duì)在β-酮硫解酶的催化機(jī)制和理性設(shè)計方面取得重要突破

來源:江南大學(xué)生物工程學(xué)院      2023-06-21
導(dǎo)讀:近日,江南大學(xué)糧食發(fā)酵與食品生物制造國家工程研究中心鄧禹教授團(tuán)隊(duì)在酶催化領(lǐng)域權(quán)威期刊《ACS Catalysis》(IF 13.7)在線發(fā)表了最新研究成果“Rational Design of the Substrate Tunnel of β-ketothiolase Reveals a Local Cationic Domain Modulated Rule that Improves the Efficiency of Claisen Condensation”(全文鏈接為https://doi.org/10.1021/acscatal.3c01426)。該研究基于β-酮硫解酶Tfu_0875β-酮硫解酶Tfu_0875的晶體結(jié)構(gòu),解析其催化機(jī)制,理性設(shè)計底物通道,提出了提高β-酮硫酶酶活性的普適性改造原則。

在生物合成途徑中,形成新的碳-碳鍵是化合物衍生化中最重要的一步,因其可以從簡單的起始分子生成復(fù)雜的有機(jī)化合物。硫解酶催化的Claisen縮合可以催化生物體形成碳-碳鍵,從而構(gòu)建多種多樣的化合物碳骨架。在催化過程中,硫解酶的底物通道對底物的結(jié)合和縮合反應(yīng)起著重要作用,可以直接影響酶活。然而,底物通道如何影響β-酮硫酶的催化機(jī)制尚不清楚,這限制了底物通道的理性工程設(shè)計以提高酶的性能。因此,探索底物通道的普適性調(diào)控機(jī)制,有助于建立一種可靠、通用的提高β-酮硫酶性能工程方法,從而廣泛應(yīng)用于碳-碳鍵的形成。

該研究解析了來自褐色喜熱裂孢菌的一種耐熱的β-酮硫解酶Tfu_0875的晶體結(jié)構(gòu)。該酶具有Cys-His-Cys催化三聯(lián)體,主要由陽離子結(jié)構(gòu)域、腺嘌呤結(jié)合口袋和泛酰巰基乙胺環(huán)構(gòu)成狹窄的底物通道。Tfu_0875的活性結(jié)構(gòu)域含有氧陰離子空穴(OAHs)來穩(wěn)定底物的過渡態(tài)。然后聚焦于底物通道,通過深度學(xué)習(xí)方法(DLKcat)預(yù)測突變體們的kcat來篩選底物通道內(nèi)酶活提高的突變體。

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經(jīng)篩選后發(fā)現(xiàn)Tfu_0875陽離子域的突變體L163H酶活提高最顯著,比Tfu_0875提高了313%。L163H的咪唑基團(tuán)比活性中心His348的咪唑基團(tuán)更接近底物乙酰輔酶A的Cα原子,且Tfu_0875L163H的G147可以與L163H形成氫鍵,這與Tfu_0875中的活性中心H348和N315 (OAH1)相同。同時測量Tfu_0875H348A和Tfu_0875L163H/H348A的相對酶活性,結(jié)果表明Tfu_0875L163H/H348A的相對酶活性比Tfu_0875H348A高1.79倍,因此認(rèn)為突變體L163H可以發(fā)揮與His348相同的作用,作為氫鍵供體幫助錨定底物。經(jīng)過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn),Tfu_0875L163H產(chǎn)生的氫鍵數(shù)量明顯高于Tfu_0875,說明Tfu_0875L163H與底物乙酰輔酶A之間存在更強(qiáng)的相互作用,可以更快錨定底物乙酰輔酶A,間接縮短反應(yīng)時間。此外,當(dāng)L163變?yōu)镠163時,陽離子域的體積從69.18 ?3增大到81.15 ?3。

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根據(jù)上述分析,該研究揭示了一個局部陽離子域設(shè)計規(guī)則(LCDMR)。將loop區(qū)域和三明治拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的α5螺旋交界處的非保守殘基突變?yōu)榻M氨酸,通過:(1)增加陽離子結(jié)構(gòu)域的體積,為底物提供更寬的反應(yīng)空間;(2)增加周圍殘基與底物的氫鍵相互作用,加速Claisen縮合反應(yīng);(3)與活性中心H348功能相似,從而錨定底物穩(wěn)定四面體中間體。這一規(guī)律對提高其他β-酮硫酶的酶活性具有普遍適用性。

上述研究工作中,江南大學(xué)19級博士研究生劉麗霞為論文的第一作者,鄧禹教授和周勝虎副研究員為論文的共同通訊作者。此研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2022YFC2104600)、江蘇省杰出青年基金(BK20220089)和天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目(TSBICIP-KJGG-015)的資助。

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