快速展示糖苷水解酶活性架构单点突变导致结合力变化的电泳技术

酶分子在长期进化过程中形成一系列氨基酸残基组成的活性架构,参与底物的识别、结合与催化过程,而活性架构中相应氨基酸残基是如何影响酶分子结合底物的能力,进而影响酶分子的催化效率,一直是酶分子理性改造研究的热点.利用亲和电泳技术,可以快速展示内切纤维素酶Tr Cel12A和木聚糖酶Tl Xyn A活性架构中不同突变体的催化活性及其迁移率的变化,进而通过在不同底物浓度凝胶中蛋白质相对迁移率变化程度的定量回归分析,发现由氨基酸单点突变导致蛋白质迁移率的相对变化,可以定量表征酶分子突变前后结合底物能力的变化.亲和电泳测定的有效阻滞常数Kb值与等温滴定量热法和荧光光谱法测定的相关参数比较具有明显相关性.由于亲和电泳技术在测定酶分子与底物的结合能力时具有简便、快速、灵敏的特点,因而可作为常规生化实验室常规普筛技术来检测突变文库中系列突变体导致结合力的变化.     

裂解多糖单加氧酶高效催化的研究进展

裂解多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenases,LPMOs)是一类新发现的铜离子依赖性的氧化酶,常具有多种模块化组合,能够高效氧化降解生物质多糖.LPMOs的催化结构域为β三明治结构,活性中心含有一个铜离子.该酶的催化反应过程相对于糖苷水解酶类更加复杂,LPMOs结合底物后,首先要接受电子供体提供的电子,通过电子传递链传递给活性中心的Cu[Ⅱ],将其还原为Cu[Ⅰ],Cu[Ⅰ]结合并活化分子氧后,再氧化降解多糖链的糖苷键,生成氧化产物和非氧化产物.近年来的研究表明,在木质纤维素降解酶系中加入LPMOs能显著提高其对结晶纤维素的转化效率,因此LPMOs相关研究的深入开展可以拓展人们对其高效降解机制的认识,从而为高效降解酶系的复配以降低工业规模的生产成本等提供理论指导.本文综述了该领域相关研究的最新进展,分析了LPMOs潜在的研究方向与工业化应用的前景.     

生物质多糖的高效降解与降解酶（系）的精确定制

自然界中多糖类生物质资源十分丰富,然而其复杂的抗降解屏障限制了生物转化的进程.近年来,随着生物质多糖结构的快速解析以及大量多糖降解酶的鉴定研究,针对不同底物结构或产物需求,仿制高效微生物多糖代谢途径,精确定制多糖降解酶系,促进生物质高效转化已成为可能.本文分析中性多糖(纤维素和木聚糖)、碱性多糖(几丁质和壳聚糖)以及酸性多糖(褐藻胶)的精细结构组成与基团性质,总结3类多糖主要降解酶的活性架构特征及其底物精确结合模式.文章还阐述蛋白质工程设计与定制策略,针对酶分子不同功能区的分析,可为酶分子的功能快速设计与改造提供靶点,以获得适宜于工业应用的高效酶分子,此外,根据微生物胞外降解酶系的降解次序与协同关系,可基于应用需求精确定制复杂多糖降解酶系,实现生物质的高效与高值降解转化.     

大数据时代杂合酶的设计及其新趋势

酶分子的高效性和稳定性是工业广泛应用的物质基础。利用分子生物学技术可以将不同酶分子通过串联、插入、翻译后融合等方式构建成符合工业需求的杂合酶,但应用中多结构域杂合酶在表达量与酶活等方面仍存在弊端,而基于特定蛋白质结构域的多功能设计成为新趋势。高通量测序技术的发展,使得生物学家正面临着爆炸式增长的大数据集。近年来"蛋白质功能区"概念的提出,拓宽了人们对蛋白质结构与功能组织层次的认知,功能区残基聚簇的协同演化可导致同一家族不同蛋白质功能的差异。基于海量大数据分析可以快速定位特定功能区以及协同进化的关键位点,再利用合成生物学技术就可实现多种功能残基在同一蛋白质中的精准嫁接,完成天然酶分子的再设计。这将是杂合酶技术发展的新阶段,也会成为生物大数据时代下蛋白质设计的新趋势。     

铁摄取调节蛋白Fur功能和作用模式的研究进展

铁是大多数生物必需的微量元素,在健康和疾病,尤其是宿主-病原菌互作过程中发挥着至关重要的作用.细菌胞内铁离子浓度的高低不仅是调节自身高亲和力铁运输系统表达的信号,更是病原菌产生毒素和其他必要毒力因子的关键调控因素.而另一方面,超负荷的铁也会导致致命的细胞毒性.因此,生物体内铁稳态的维持受到严格控制,其中以铁摄取调节蛋白(ferric uptake regulator,Fur)的作用最为显著,其调控网络涵盖了细菌生命活动的各个方面.本综述将基于Fur的生物学功能,围绕其家族分类、结构特点和差异、调控网络和调控机制等方面进行总结和分析,以期为Fur和铁稳态调节等研究提供参考.     

细菌几丁质酶结构、功能及分子设计的研究进展

几丁质是仅次于纤维素的第二大天然多糖,由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合而成,具有重要的应用价值。自然界中几丁质可被细菌高效降解。细菌可分泌多种几丁质降解酶类,主要分布在GH18家族和GH19家族中。细菌中几丁质降解酶基因存在明显的基因扩增及多结构域组合现象,不同家族、不同作用模式的几丁质酶系协同作用打破复杂的抗降解屏障,完成结晶几丁质的高效降解。因此,深入分析细菌几丁质酶结构与功能,对几丁质高效降解与高值转化应用具有重要意义。本文介绍了细菌几丁质酶的分类、结构特点与催化作用机制;总结了不同细菌胞外几丁质降解酶系的协同降解模式;针对几丁质酶家族分子改造的研究进展,展望了以结构生物信息学及大数据深度学习为基础的蛋白质工程设计策略在今后改造中的作用,为几丁质酶的设计与理性改造提供新的视角与思路。     

碳水化合物活性酶数据库( CAZy) 及其研究趋势简

碳水化合物活性酶数据库（ CAZy）是关于能够合成或者分解复杂碳水化合物和糖复合物的酶类的一个数据库资源,其基于蛋白质结构域中的氨基酸序列相似性,将碳水化合物活性酶类归入不同蛋白质家族。 CAZy数据库中包含了碳水化合物酶类的物种来源、酶功能EC分类、基因序列、蛋白质序列及其结构等信息。而随着宏基因组学技术的快速发展,CAZy数据库中家族内序列数据量剧增,这为家族内进一步进行亚家族分类奠定了基础;而蛋白质家族内新一层精细分类的引入可提高亚家族中酶分子功能预测的准确度,进而可指导酶分子理性设计来提高特定功能酶组分设计的成功概率,从而推动生物质转化产业的发展。     

天然结晶纤维素的生物合成及其去晶化途径

纤维素是高等植物细胞壁的结构骨架和重要组成成分,由细胞质膜上的纤维素合成酶合成.一个纤维素合成酶亚基合成一根纤维素分子链,多个亚基聚集在一起形成末端复合体(TC),可同时合成多根葡聚糖分子糖链,其在氢键和范德华力作用下快速有序堆积,形成结构紧密的天然微纤丝结晶结构.质膜上有序线性排列的超分子TC合成结晶纤维素Ⅰα,而玫瑰花型排列的TC合成结晶纤维素Ⅰβ.结晶微纤丝的密切有效堆积是植物抗降解的天然屏障.高浓度的酸和离子液体可以在微纤丝间有效扩散,破坏晶体分子链的有序堆积、分子间氢键网络,甚至打断晶体内部的糖苷键,完成天然结晶纤维素的去晶化及解聚过程.酶分子的去晶化过程是发生在微纤丝特定表面上的非均相反应过程,可在常温常压下固或液表面上快速完成,但有效可及表面积是其主要限速瓶颈.因此结合物理、化学方法预处理,低成本高效打破限制酶分子有效扩散的屏障,增加酶分子对结晶纤维素特异性结合的效率和有效可及面积,从而实现天然结晶纤维素高效去晶化及绿色快速降解转化.     

不依赖微生物培养的纤维素降解酶及基因资源的挖掘

自然界降解纤维素的微生物及其降解策略呈现多样性的特点。除了获得纯培养的纤维素降解微生物外,自然环境中还有大量不可培养的微生物,这些微生物蕴藏着丰富的纤维素酶和基因资源。环境基因组学和蛋白组学的出现为挖掘这些未知资源提供了必要的技术手段,并且已经取得了一定的成果。以下综述了相关的研究进展,并从群落系统微生物学角度,对天然生境中纤维素的降解机制的研究进行了展望。     

丝状真菌胞外蛋白高效分泌机制的研究进展

丝状真菌由于其胞外蛋白分泌的高效性,成为生产酶制剂的高效细胞工厂.近年来针对真核生物胞外蛋白分泌途径的研究发现,丝状真菌蛋白的分泌途径相比其他真核生物具有高效分泌的特性.为了研究丝状真菌高效分泌的机制,本文总结了近年来丝状真菌分泌途径的最新研究进展,并且选取了分泌途径中关键环节的数种蛋白进行分析,通过与其他真核生物相关蛋白进行结构与序列比对,推测了丝状真菌胞外蛋白高效分泌的可能机制.