馮雁研究團隊在發展酶功能進化新策略上獲得新進展

發布時間 :2017-05-31  閱讀次數 :8226

       近日,國際化學生物學領域重要學術期刊《美國化學學會化學生物學》(ACS Chemical Biolgy)在線發表了上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室馮雁團隊最新研究成果《Stepwise Loop Insertion Strategy for Active Site Remodeling to Generate Novel Enzyme Functions》。博士生Md Anarul Hoque 及團隊張勇博士為并列第一作者。

       酶活性中心是實現高效、特異性生物催化的關鍵部位,對其柔性loop區的分子設計,可對活性中心微環境三維空間和殘基化學組成產生重塑,進而有效驅動酶分子再進化,獲得所需新催化功能。然而如何理性設計,有效引入新的多肽結構,在“老酶骨架”上產生新的催化功能,一直是酶學和蛋白質工程設計的難題。

       馮雁團隊在對酶家族活性中心loop構象及組成分析的基礎上,發展了StLois步入式loop區嵌入突變(a stepwise loop insertion strategy)的蛋白質工程新策略,從小型智能庫中可快速獲得所需要的突變體。研究人員以Geobacillus kaustophilus來源的高穩定性內酯酶GkaP為模式酶,應用StLois策略在活性中心中引入了2n個多肽片段,構建及篩選小型智能突變庫,發現6個殘基肽段(VNLGKY)的嵌入酶突變體成功地實現了向磷酸三酯酶活性的轉變,相對野生型酶發生了超過107倍底物特異性改變。 更令人興奮的是,該突變酶對一系列有機磷農藥(對硫磷、地亞農和氯螨硫磷)的降解能力提升了49-1197倍,顯著提升了其對環境有機磷毒物處理的實際應用價值。晶體結構及分子docking分析進一步揭示了嵌入肽段對該酶對映體底物選擇性改變的作用機制,活性中心空間和極性,底物與活性中心殘基結合方式,以及親核進攻方向等改變是控制酶催化選擇性轉變的基礎。

       馮雁教授研究團隊長期致力于酶分子工程和合成生物學研究,不斷探索酶獨特的作用機制,發展酶分子設計新策略,并將新功能酶應用于生物催化和合成生物體系中。本研究是該團隊近三年來報道酶活性中心穩定化(Active Center Stabilization, ACS)(J Biol Chem, 2014,14:289; Sci Rep, 2016.6:332),關鍵基序介導結構域重組(Key Motif Directed Recombination, KMDR)(Chembiochem. 2015.16:3)等蛋白質工程新策略后,又一高效酶功能再塑的分子設計新成果。

       該研究工作得到國家自然科學基金項目(31620103901, 31570788)的大力支持。

       文章鏈接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acschembio.7b00018

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