工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

基于结构改造来源于大阪伊德氏杆菌201-F6的PET水解酶

聚对苯二甲酸乙二酯 (Polyethylene terephthalate,PET) 塑料是由对苯二甲酸 (Terephthalic acid,TPA) 和乙二醇 (Ethylene glycol,EG) 通过酯键聚合而成的高分子聚合物,具有性质稳定、不易分解等特点,目前已成为广泛使用的一种聚酯,然而大量产生的PET废弃物同时也造成严重的环境污染。2016年,一种有效降解PET的PET水解酶在大阪伊德氏杆菌201-F6中被鉴定发现 (命名为IsPETase),且多个IsPETase结构已被解析。为了设计获得PET降解效率更高的IsPETase,针对底物结合位点Ⅱc区的天冬氨酸233 (N233) 残基进行了多种突变测试,酶活性检测实验表明,用丙氨酸替代N233可以提高IsPETase的性能,尤其是结合R280A突变后,IsPETase活性增加更为显著。此外,解析了IsPETase N233A突变体的X射线晶体结构。IsPETase N233A突变体与IsPETase野生型整体结构相似,但丙氨酸取代N233后增加了底物识别位点Ⅱ末端的空间结构,推测因此增加了IsPETase的活性。这些结果为进一步基于结构改造PET水解酶提供了新的线索。