近日,南京中醫(yī)藥大學(xué)譚仁祥教授團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)期刊Angew. Chem. Int. Ed.(中科院化學(xué)一區(qū),IF: 15.336)在線發(fā)表題為 “Alteration of the Catalytic Reaction Trajectory of a Vicinal Oxygen Chelate Enzyme by Directed Evolution” 定向進(jìn)化改變鄰氧螯合酶催化的反應(yīng)軌跡的研究成果。
鄰氧螯合(VOC)家族酶可催化多種反應(yīng)。其中,雙加氧酶如外二醇雙加氧酶(EDOs)、內(nèi)二醇雙加氧酶(IDOs)可以催化芳香族化合物的環(huán)裂解,在好氧生物降解中發(fā)揮關(guān)鍵作用,對(duì)于維持全球碳循環(huán)以及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。但目前為止,仍缺乏一個(gè)合適的平臺(tái)來調(diào)控此類雙加氧酶的反應(yīng)類型,尤其對(duì)于鄰苯醌代謝通路的反應(yīng)軌跡,研究甚少。
譚仁祥課題組前期在研究抗腫瘤化合物chartreusin生物合成過程中發(fā)現(xiàn),雙加氧酶 ChaP可催化含鄰苯醌基團(tuán)的底物chartrequinone氧化重排形成chartreusin。系統(tǒng)發(fā)育樹分析顯示,ChaP屬于VOC家族的新分支,在催化機(jī)制上與EDOs及IDOs相差較大,但其作用底物與兒茶酚有一定相似性。有研究報(bào)道,通過蛋白氨基酸突變,可實(shí)現(xiàn)EDOs和IDOs的互相轉(zhuǎn)變。受此啟發(fā),定向進(jìn)化被應(yīng)用于ChaP 的人工改造。
首先,本文基于組合活性中心飽和測(cè)試(CAST)和迭代飽和誘變(ISM)原則,通過大規(guī)模建庫及隨后的體外酶促反應(yīng)驗(yàn)證,成功篩選到可將chartrequinone轉(zhuǎn)化為chatric acid A 的最優(yōu)突變株ChaPD49L/Y92A、 ChaPD49L/Y92G、 ChaPD49L/Y92T和 ChaPD49L/Y92S,其轉(zhuǎn)化率高達(dá)95%,這徹底改變了ChaP原有的催化模式。在此基礎(chǔ)上,通過去卷積實(shí)驗(yàn),作者確定49位天冬氨酸突變成亮氨酸是ChaP催化反應(yīng)類型轉(zhuǎn)變的開關(guān),其余突變位點(diǎn)與之的作用效應(yīng)是協(xié)同而并非累加。為了更詳細(xì)地洞察機(jī)理,作者對(duì)篩選到的突變株進(jìn)行了蛋白晶體培養(yǎng)。由此獲得了關(guān)鍵突變體 ChaPD49L、雙突變ChaPD49L/Q91C及ChaPD49L/Y109F的蛋白晶體結(jié)構(gòu)。接下來,作者通過計(jì)算模擬進(jìn)一步探討反應(yīng)機(jī)制,一定程度上解釋了底物chartrequinone在ChaP和ChaPD49L催化下形成不同產(chǎn)物的分布。除此之外,結(jié)合氧同位素標(biāo)記、自由基驗(yàn)證、低溫捕獲中間體、chartrequinon類似物17-hydroxy-Chq酶促反應(yīng)等實(shí)驗(yàn),作者對(duì)ChaP突變株催化chartrequinone生成chatric acid A的反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了推測(cè)。
綜上,作者開發(fā)了一個(gè)平臺(tái),可以控制鄰氧螯合家族酶的催化反應(yīng)軌跡。 這項(xiàng)研究加深了大眾對(duì)鄰氧螯合家族酶的理解,并擴(kuò)大了它們的綠色催化庫,從而為重新利用這些具有應(yīng)用潛力的加氧酶提供了范例。
文章第一作者為南京中醫(yī)藥大學(xué)中藥品質(zhì)與效能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育)副教授王以爽、博士研究生鄭婉、碩士研究生金允俠及南京醫(yī)科大學(xué)副教授蔣南,通訊作者為譚仁祥教授和朱家鵬教授,南京中醫(yī)藥大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81991524、82003608)和江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20211254)資助。
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201321
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