酶催化需要在最適pH條件下才能高效進行,改變酶的pH適應性一直是一項艱巨的任務。近日,華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室李志敏教授課題組在酶促pH適應性工程方向取得新進展。Chemical Engineering Journal以“Endogenous microenvironmental engineering through targeted alteration of salt bridge network can effectively regulate enzymatic pH adaptation”為題對相關成果進行了報道。
為了研究上述問題,作者選擇了PfkB家族,主要包括核苷激酶、糖激酶、磷酸果糖激酶等,每類酶只能嚴格催化對應底物的磷酸化反應。一個有趣的現(xiàn)象是很難找到最適pH值低于6.0的磷酸果糖激酶,而許多核苷激酶在pH 4.0時表現(xiàn)出最高活性。通過數(shù)據庫挖掘,找到一個古菌來源的核苷激酶也可以磷酸化糖類/糖磷酸類底物,并且催化不同底物反應的最適pH差異巨大,呈現(xiàn)pH混亂性。經計算吉布斯自由能,研究團隊發(fā)現(xiàn)對所有類型的底物,實際上環(huán)境越堿性反應越有利。為了排除pH混亂性是受不同底物理化性質影響,作者重新設計了一個磷酸果糖激酶的構象動力學,其可用底物改變而最適pH沒有任何變化。

后續(xù),研究團隊利用祖先序列重建,推斷并復活了PfkB家族的6個祖先酶。體外催化實驗表明,祖先酶也具有pH混亂性。在序列比對具有不同遺傳關系的PfkB家族成員時,發(fā)現(xiàn)了一段未被標注的氨基酸短序列,該序列在不同屬來源酶之間差異很大,但在同一屬中保守。結合結構和功能分析,猜測該區(qū)域很可能包含影響pH的殘基。后續(xù)實驗證實,在該區(qū)域理性設計突變即可顯著改變酶的pH適應性甚至最適pH值。作者分析這是由于活性中心附近的鹽橋網絡改變所引起的,據此提出了一種有針對性的內源性微環(huán)境工程策略,通過靶向改變鹽橋網絡來改變酶的pH適應性。該工作首次從進化角度考慮酶的最適pH值的影響因素,為酶促pH適應性工程提供了有趣的新見解。
上述論文第一作者為華東理工大學生物工程學院在讀博士生李宗霖,通訊作者為李志敏教授。成果得到了國家自然科學基金(32171478),國家重點研發(fā)計劃(2019YFA0904300),天津市合成生物技術創(chuàng)新能力提升項目(TSBICIP-KJGG-009)和我校張江樹優(yōu)博培育計劃資助。
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136215
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