【创新前沿】《Chemical Engineering Journal》报道我校在酶工程方向最新研究成果
发布人:生工学院网站管理员  发布时间:2022-04-22   动态浏览次数:272

作者:李宗霖、李志敏            摄影:李宗霖

酶催化需要在最适pH条件下才能高效进行,改变酶的pH适应性一直是一项艰巨的任务。近日,我校生物反应器工程国家重点实验室李志敏教授课题组在酶促pH适应性工程方向取得新进展,有关成果在Chemical Engineering Journal以“Endogenous microenvironmental engineering through targeted alteration of salt bridge network can effectively regulate enzymatic pH adaptation”为题进行了报道(https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136215)

为了研究上述问题,作者选择了PfkB家族,主要包括核苷激酶、糖激酶、磷酸果糖激酶等,每类酶只能严格催化对应底物的磷酸化反应。一个有趣的现象是很难找到最适pH值低于6.0的磷酸果糖激酶,而许多核苷激酶在pH 4.0时表现出最高活性。通过数据库挖掘,找到一个古菌来源的核苷激酶也可以磷酸化糖类/糖磷酸类底物,并且催化不同底物反应的最适pH差异巨大,呈现pH混乱性。经计算吉布斯自由能,发现对所有类型的底物,实际上环境越碱性反应越有利。为了排除pH混乱性是受不同底物理化性质影响,作者重新设计了一个磷酸果糖激酶的构象动力学,其可用底物改变而最适pH没有任何变化。


后续利用祖先序列重建,推断并复活了PfkB家族的6个祖先酶。体外催化实验表明祖先酶也具有pH混乱性。在序列比对具有不同遗传关系的PfkB家族成员时,发现了一段未被标注的氨基酸短序列,该序列在不同属来源酶之间差异很大,但在同一属中保守。结合结构和功能分析,猜测该区域很可能包含影响pH的残基。后续实验证实,在该区域理性设计突变即可显著改变酶的pH适应性甚至最适pH值。作者分析这是由于活性中心附近的盐桥网络改变所引起的,据此提出了一种有针对性的内源性微环境工程策略,通过靶向改变盐桥网络来改变酶的pH适应性。该工作首次从进化角度考虑酶的最适pH值的影响因素,为酶促pH适应性工程提供了有趣的新见解。

上述论文第一作者为我校生物工程学院在读博士生李宗霖,通讯作者为李志敏教授。成果得到了国家自然科学基金(32171478),国家重点研发计划(2019YFA0904300),天津市合成生物技术创新能力提升项目(TSBICIP-KJGG-009)和我校张江树优博培育计划资助。