催化混杂性驱动的酶功能重塑

作为生物催化剂,酶蛋白介导的生化反应具有条件温和、绿色环保等优点。然而相比化学催化剂,天然酶功能的局限性制约了它在生物制造领域的广泛应用。前期研究表明,酶蛋白除了催化专一性外,同时还展现出混杂性的一面,可在特定条件下催化非天然模式反应。这一特性为酶分子功能重塑提供了新思路,可用来指导人工酶设计,拓展天然酶的催化边界,实现新颖酶促反应类型,以扩大酶催化应用场景。本文从酶催化功能混杂性背后可能的进化机制入手,综述了当前诱导酶催化功能混杂性的常用策略,如定向进化、构象动力学、反应条件诱导及祖先酶重构等技术,并从催化机制、构效关系及适应性进化等多个角度,结合近年来相关研究实例,探讨了催化功能混杂性背后的分子机制,为突破天然酶促反应局限性、创制催化非天然反应的高效人工酶元件提供参考。     

催化元件和途径的人工设计与组装

催化元件以及由多个催化元件组成的合成途径的设计与组装为人工合成体系的建立奠定了基础,是合成生物学的重要研究内容。除从自然生物中挖掘大量的天然酶和途径可供人工合成体系使用外,将计算生物学、蛋白质工程以及组合生物合成等技术相结合,理性地、有目的地进行催化元件和途径的人工设计与组装,将提供新功能酶以及新物质合成途径。介绍了催化元件和合成途径人工设计与组装的研究策略和最新进展。     

工业蛋白质理性设计与应用

作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术,蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战,创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, TIB)创立10周年之际,文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论,并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁,促进新技术、新策略的开发应用,加速融合人工酶的基础研究与产业应用,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

人工纤维小体骨架蛋白的分子设计与自组装

纤维小体是厌氧微生物分泌的能够高效降解木质纤维素的一种多酶复合体。其骨架蛋白质的大量重组合成是人工纤维小体构建的关键。为了构建全长的结构复杂的能招募大量酶亚基的骨架蛋白质,本研究对解纤维梭菌Ruminiclostridum cellulolyticum骨架蛋白CipC进行分子模块化设计,并分别与肽-蛋白质共价偶联系统SpyTag/SpyCatcher和SnoopTag/SnoopCatcher融合表达。然后分别通过非固定化和固定化组装策略对人工纤维小体骨架蛋白质进行了初步组装。结果显示,SpyTag和SpyCatcher、SnoopTag和SnoopCatcher之间自发形成稳定的共价异肽键,而且SpyTag和SnoopCatcher, SnoopTag和SpyCacther之间无交叉反应。最终成功组装出含有不同数量黏附域的骨架蛋白质,实现骨架蛋白链的延伸。本研究为构建结构更复杂、活性更高的人工纤维小体提供了新的设计思路并奠定了其技术基础。     

斑鸠霉素氧化酶CftA体外生物活性研究

【背景】斑鸠霉素及其氧化衍生物属于多环特特拉姆酸大环内酰胺类化合物,具有良好的生物活性,挖掘更多新颖斑鸠霉素类似物具有重要意义。细胞色素P450氧化酶CftA被认为能催化斑鸠霉素的氧化反应,但未有相关体外实验数据的报道。【目的】通过体外生化实验鉴定氧化酶CftA的功能,并探索其催化斑鸠霉素氧化反应的机制。【方法】利用基因合成的方法直接克隆斑鸠霉素氧化酶基因cftA,于大肠杆菌中诱导表达后,纯化蛋白进行体外酶反应,利用高效液相色谱与高分辨质谱联用技术鉴定酶反应产物。【结果】在体外,氧化酶CftA催化斑鸠霉素生成一个新的氧化衍生物Hydroxyikarugamycin D和一个已知氧化衍生物Clifednamide A。【结论】进行了细胞色素P450氧化酶CftA的体外生化研究,证实其能特异性催化斑鸠霉素C29位的两步氧化反应,为进一步探索斑鸠霉素P450氧化酶的催化机制,以及通过生物酶催化拓展斑鸠霉素类多环特特拉姆酸大环内酰胺化合物的结构多样性奠定了基础。     

工业蛋白质构效关系的计算生物学解析

工业催化用酶已经成为现代生物制造技术的核心"芯片"。不断设计和研发新型高效的酶催化剂是发展工业生物技术的关键。工业催化剂创新设计的科学基础是对酶与底物的相互作用、结构与功能关系及其调控机制的深入剖析。随着生物信息学和智能计算技术的发展,可以通过计算的方法解析酶的催化反应机理,进而对其结构的特定区域进行理性重构,实现酶催化性能的定向设计与改造,促进其工业应用。聚焦工业酶结构-功能关系解析的计算模拟和理性设计,已成为工业酶高效创制改造不可或缺的关键技术。本文就各种计算方法和设计策略以及未来发展趋势进行简要介绍和讨论。     

用于筛选人工结合蛋白的骨架蛋白

抗体作为最著名的天然结合蛋白,因其具有与抗原特异结合的特性,近100多年以来无论在生物技术领域,还是在疾病的诊断及治疗方面,都发挥着广泛而重要的作用。但是抗体自身固有的局限性也在很大程度上限制了它的应用,而人工结合蛋白既具有抗体的特点,又兼具更多优势:分子更小;稳定性更高;能在大肠杆菌中高产量、高可溶性表达;易于修饰;能够达到高亲合力和高特异性;并且与抗体没有知识产权的冲突,因此被称为理想的"新一代抗体"。人工结合蛋白是从基因改造构建而成的骨架蛋白库中针对特定的靶分子筛选而得的。从骨架蛋白的概念和设计,骨架蛋白的分类,应用骨架蛋白筛选人工结合蛋白的技术以及人工结合蛋白的应用和前景等方面进行总结概述。     

Burkholderia cepacia胆固醇酯酶及其分子伴侣基因的串联表达及酶学性质的研究

为实现胆固醇酯酶的可溶性表达,以Burkholderia cepacia ST-200胆固醇酯酶为研究对象,将酶及其分子伴侣通过人工添加的SD序列在大肠杆菌中进行串联表达。通过SDS-PAGE电泳分析,胆固醇酯酶成功获得可溶性表达,摇瓶水平的总酶量为1 077 U/L。经过镍柱纯化之后可以获得一条相对分子量约为37 kDa的单一条带。利用圆二色谱解析胆固醇酯酶的二级结构,并测定Tm值,从最适温度、最适pH、热稳定性、pH稳定性及有机溶剂耐受性等方面对胆固醇酯酶进行研究,结果表明该酶在pH为7.0,45℃条件下表现出最大活力。     

木质纤维素原料中漆酶天然介体的研究进展

漆酶作为一种多功能金属氧化酶,被认为是未来工业生物催化中"可持续环境友好过程生物技术的工具"。但是由于典型漆酶催化体系中合成介体存在价格昂贵且有毒等问题而一直未能实现工业化。从木质素小分子前体物质或者中间体及降解产物中寻找稳定、高效、低毒和价廉的天然介体成为当前的研究热点和重点。本文从漆酶介体的类型与催化机理、木质纤维素原料炼制中间产物(如汽爆秸秆水洗液、造纸黑液、木质纤维素生物降解产物等)中天然介体的种类与分离等方面,论述从木质纤维素原料降解产物中分离漆酶天然介体并进行应用的可行性,为挖掘高反应活性的漆酶天然催化介体,构建漆酶多介体连续催化体系,实现木质纤维素原料降解产物的定向高值利用奠定基础。     

葡萄柚中糖基转移酶对槲皮素及其类似物催化机制探讨

研究了葡萄柚中糖基转移酶(FGT)作为催化酶,以UDP-葡萄糖、UDP-N-乙酰-D-氨基葡萄糖、UDP-甘露糖为糖基供体,槲皮素、柚皮素、柚皮苷为糖基受体,研究糖基化合成情况。通过高效液相、质谱及核磁共振氢谱对产物反应进行检测。确定了槲皮素与UDP-葡萄糖、UDP-N-乙酰-D-氨基葡萄糖可以发生糖基化反应,生成的槲皮素糖苷分子量分别为464、505。根据核磁结果鉴定,所得到的产物结构分别为槲皮素-3-O-β-D葡萄糖苷、槲皮素3-O-β-D-N-乙酰-D-氨基葡萄糖苷。以FGT酶为催化酶,对槲皮素进行了糖基化修饰。     

合成生物催化中关键科学问题的研究进展

合成生物催化以多酶催化为特征,通过灵活选择不同功能的酶和反应路线设计,可以实现复杂生物基化学品的合成,在反应效率、原子经济性和环境友好方面有着不可替代性。但是其还存在两个关键科学问题:(1)氧化还原酶催化过程中辅酶的循环再生和重复利用;(2)酶在非水相和油水两相反应体系中如何实现稳定。以CO_2合成生物甲醇和天然油脂制备生物聚氨酯材料这两个具有代表性的多酶催化过程为例,介绍了合成生物催化关键科学问题的研究进展。其中,新型纳米材料与生物技术相结合在解决催化体系中辅酶再生、多酶协同以及酶的界面稳定方面有着广阔的发展前景。     

菊糖蔗糖酶的性质鉴定及菊糖的酶法合成

菊糖作为益生元和膳食纤维,具有许多重要的生理功能,广泛应用于食品、医药等领域.微生物菊糖蔗糖酶可以以蔗糖为底物合成较植物菊糖具有更高分子量的菊糖.文中通过基因数据库筛选获得一段拟表达菊糖蔗糖酶的基因.通过N-端和C-端截断的方式,保留中间催化域,构建重组质粒.将重组质粒在大肠杆菌表达系统中表达,粗酶液经Ni2+亲和层析...     

P450酶在植物三萜化合物生物合成中的催化与调控

植物三萜化合物是一类具有6个C₅异戊二烯单元的高附加值天然化合物,具有抗炎、护肝、抗肿瘤、抗氧化和降血压等重要药理活性。在三萜化合物生物合成过程中,细胞色素P450酶通过引入羟基、羧基、羰基以及环氧基等官能团,为丰富三萜结构的多样性起到了重要的作用。然而,目前P450酶底物催化特异性机制仍不清晰,异源底盘细胞中表达率低、与细胞色素氧化还原酶(CPR)的适配性差限制了其在植物三萜化合物微生物异源合成中的应用。本文系统地介绍了植物三萜化合物的合成途径、P450酶的催化系统组成和催化机制。通过P450酶的理性与非理性的分子改造,P450酶及其CPR的适应性匹配以及关键代谢途径的区室化研究,以期为P450酶在高效合成三萜化合物的应用提供研究思路。     

单胺氧化酶抑制剂在临床方面的应用

单胺氧化酶(monoamine oxidase,MAO)是人体内天然存在的一种酶,催化单胺类物质氧化脱氨反应的酶。人体内含有两种单胺氧化酶:单胺氧化酶A和单胺氧化酶B。单胺氧化酶A主要分布在儿茶酚胺能神经元中;单胺氧化酶B主要分布在5-羟色胺能神经元、组胺能神经元和神经胶质细胞中,这两种亚型都均可以使单胺类神经递质失活。而单胺氧化酶抑制剂则能够通过抑制单胺氧化酶的对单胺类物质的氧化活性,从而达到减轻或者消除由各种原因引起的单胺类物质减少或单胺氧化酶活性过高导致的疾病。本文主要总结了近几年单胺氧化酶抑制剂在临床上用于治疗帕金森病、抑郁症和幽门螺旋杆菌方面的最新进展。     

单胺氧化酶抑制剂在临床方面的应用

单胺氧化酶（monoamine oxidase, MAO）是人体内天然存在的一种酶,催化单胺类物质氧化脱氨反应的酶。人体内含有两种单胺氧化酶：单胺氧化酶A 和单胺氧化酶B。单胺氧化酶A 主要分布在儿茶酚胺能神经元中;单胺氧化酶B 主要分布在5- 羟色胺能神经元、组胺能神经元和神经胶质细胞中,这两种亚型都均可以使单胺类神经递质失活。而单胺氧化酶抑制剂则能够通过抑制单胺氧化酶的对单胺类物质的氧化活性,从而达到减轻或者消除由各种原因引起的单胺类物质减少或单胺氧化酶活性过高导致的疾病。本文主要总结了近几年单胺氧化酶抑制剂在临床上用于治疗帕金森病、抑郁症和幽门螺旋杆菌方面的最新进展。     

酶促反应中的化学平衡改变

一般教科书中认为酶促反应不能改变其本身化学平衡的方向和限度。但酶学研究表明:酶促反应中的化学平衡可以从热力学或动力学角度发生改变,相关酶促反应的内部化学平衡理论和天然产物酶促选择性合成实例业已广泛报道,在教学与科研中应予重视,这对深入认识酶催化的本质、指导药物化学等研究具有重要意义。     

纤维素酶家族及其催化结构域分子改造的新进展

纤维素酶的分子改造是其催化性能改进及催化效率提升的重要手段。近年来,组学技术与结构测定技术的迅速发展,人们已建立了包括糖苷水解酶(Glycoside hydrolase,GH)在内的碳水化合物活性酶组分数据库。通过对同一蛋白家族进行序列比对、分子进化分析与祖先基因重构,以结构模建分析为指导的纤维素酶分子改造,可以明显缩小序列或结构的搜索空间,加快酶分子改造的速度,增大理性设计成功的概率;同时针对催化中心活性架构的分析可以进一步阐明纤维素酶的催化机理与酶分子持续性降解机制。文中主要对纤维素酶家族及其催化结构域的分子改造取得的最新进展作了综述。在后基因组时代基于蛋白质家族中的海量数据分析,以其保守结构信息为指导的理性设计,将会成为纤维素酶分子改造的重要方向,从而推动生物质转化工艺的快速发展。     

枯草芽孢杆菌β-糖苷酶的克隆表达、体外定向进化及结构模拟

摘要:【目的】从枯草芽孢杆菌基因组DNA中扩增出bglC基因并在大肠杆菌中表达,分析表达产物的酶学性质并进行结构模拟,为进一步研究其生理功能及结构解析奠定基础。【方法】将bglC基因克隆到大肠杆菌(Escherichia coli)BL21(DE3)中表达,通过定向进化获取水解效率提高的突变株,经Ni-NTA镍离子层析柱纯化后,测定野生枯草芽孢杆菌β-糖苷酶与突变酶的性质。利用CD光谱,非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳及三维结构建模,分析野生酶与突变酶的高级结构。【结果】野生酶的比活力为9.7 U/mg,最适催化温度为60℃,最适pH值是7.0。经过突变和筛选,我们得到一个突变体BS-GLY_M1(A242T/T385A/S425L),其比活力达到17.1 U/mg,最适温度为55 ℃,最适pH值是7.0,在55 ℃下的半衰期为3.5 h,比野生酶增加2 h。突变酶对4-硝基苯基-β-半乳糖苷、乳糖和熊果苷的催化效率(Km/Kcat)有所提高。酶在天然条件下以二聚体、四聚体状态存在,推测它以二聚体为基本功能单位。结构模拟结果表明突变后酶的三维结构有轻微地变化,这可能是酶热稳定性和催化效率提高的原因。【结论】枯草芽孢杆菌β-糖苷酶可以在大肠杆菌中高效表达并可以通过定向进化提高其水解效率。     

生物催化氨基酸C—N裂解反应的研究进展

氨基酸脱氨酶能催化系列氨基酸C—N裂解反应生成对应的α 酮酸和氨,是代谢途径及生物催化的重要酶.综述了近年来催化氨基酸C—N裂解反应的5'磷酸吡哆醛介导的苏氨酸脱氨酶、黄素腺嘌呤二核苷酸介导的L氨基酸脱氨酶和L氨基酸氧化酶,以及这些关键酶应用于多酶级联反应中以生产α 羟基酸、α 酮酸、D氨基酸等精细化学品的研究进展.此...     

膦酸天然产物中碳磷键生物合成机制的研究进展

膦酸天然产物是指生物体产生的结构中含有碳磷键的小分子化合物,它因为与细胞中的羧酸和磷酸化的化合物结构相似,常作为某些生命活动必需的酶抑制剂,表现出良好的生物抑制活性。已知的膦酸天然产物碳磷键合成机制可以分为四类:磷酸烯醇式丙酮酸变位酶(PepM)催化类、磷甲基转移酶(PhpK)催化类、由S-2-羟基丙基膦酸环氧化酶(HppE)催化类和一种未知的碳磷键合成机制。本文就膦酸天然产物中碳磷键生物合成机制进行综述。