海洋細菌酶混雜催化功能的定向進化研究取得進展
中國科學院熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室藻類資源與生態工程研究團隊在工程化改造酶蛋白的混雜催化功能方面取得新進展，相關研究論文“Repurposing a bacterial prolidase for organophosphorus hydrolysis: Reshaped catalytic cavity switches substrate selectivity”于2020年6月27日發表于《Biotechnology and Bioengineering》。楊鍵副研究員與肖運柱博士是論文共同第一作者，龍麗娟研究員是通訊作者。
酶催化生物體內化學反應，是維持生命代謝有序運轉的重要驅動力。傳統觀點認為酶催化化學反應是非常精確專一的，然而近年越來越多的研究表明酶具有多種“兼職”功能，這種酶催化功能的非特異現象稱為混雜性（Promiscuity）。酶的催化混雜性可為生物提供“兵器庫”，幫助生物適應多變的化學環境。在工業界，開發利用酶的混雜催化功能可幫助人們合成化學分子、修復污染環境。
該研究發現一種海洋細菌脯氨酸二肽酶具有混雜水解對氧磷農藥的功能，該酶水解二肽的活性（kcat/Km=(7.68±1.24)×104 M-1s-1）是水解對氧磷（kcat/Km=(0.94±0.09)×103 M-1s-1）的近100倍。作者期望通過優化底物結合口袋提高該肽酶水解對氧磷的活性，對組成該酶底物結合口袋的11個氨基酸殘基進行了定點飽和突變和組合突變。經過多輪篩選從4000余個突變體中獲得最優突變D45W/H226G。相較野生型，D45W/H226G水解對氧磷的活性提高了30倍（kcat/Km=(2.96±0.05)×104 M-1s-1），且其對其他有機磷類化合物的底物譜也獲得顯著拓寬。有趣的是，伴隨著混雜活性的提高，天然肽酶活性顯著下降（kcat/Km=1.76±0.02 M-1s-1），突變酶與野生酶的催化選擇性發生106倍轉換（圖1）。為探究兩個氨基酸殘基突變造成該酶底物選擇性差異的原因，作者利用X-射線衍射技術解析了野生酶與突變酶的蛋白晶體結構。通過比較蛋白結構，結合分子動力學模擬計算揭示了底物結合口袋形態的變化影響兩種底物與酶活性中心的結合模式，使對氧磷在突變酶中的結合構象更利于催化反應進行，而二肽底物在突變酶中的結合構象則剛好相反（圖2）。
該研究改良利用酶的混雜催化功能，將細菌肽酶體外定向進化為對氧磷水解酶，為有機磷污染物的微生物降解提供了高效酶元件，也有助于提升酶催化底物選擇性分子層面的認識。
該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項（XDA13020301）、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項 (GML2019ZD0404）和廣州市科技計劃項目（201904010165）的共同資助。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1002/bit.27455
圖1 （a）海洋細菌肽酶的體外定向進化過程；（b）野生酶與突變酶的催化動力學參數；（c）野生酶與突變酶對不同有機磷水解活性的比較；（d）有機磷類底物的化學結構
圖2 底物選擇性轉換機制示意圖
