酶的水化层决定其对有机溶剂的耐受性

有机溶剂（Organic Solvents）的利用对生物催化具有极大的吸引力。使用有机溶剂具有许多优点，例如，可增加底物/产物的溶解度、抑制副反应的发生等。但是酶在有机溶剂中通常面临失活或催化活性急剧下降的问题。

定向进化（Directed Evolution）作为一种强有力的工具可以提高酶的各种催化性能，并为解决以上问题提供了可能。定向进化技术在2018年被授予诺贝尔化学奖，并已广泛应用于生物催化、精细化工、生物能源及医药等工业领域。目前，计算生物学和定向进化的交叉结合进一步加速了酶理性改造的进程。

近日，亚琛工业大学团队通过分子动力学模拟技术，对32株有机溶剂耐受型和非耐受型枯草芽孢杆菌脂肪酶A（Bacillus subtilis lipase A，BSLA）进行了详细的模拟研究。通过获得的35个可观察值，对酶和有机溶剂2,2,2-三氟乙醇（2,2,2-Trifluoroethanol，TFE）的相互作用进行了全面的了解。经过对描述酶结构和动态的观察值进行统计分析，研究人员发现酶突变位点上增加的水化层是驱动有机溶剂耐受性提高的主要因素。此外，在对四个单点突变体迭代重组的研究中发现，BSLA变体中的水合程度与其有机溶剂耐受性密切相关（R²=0.91）。值得注意的是，重组过程产生了一株高有机溶剂抗性的BSLA突变体（I12R/M137H/N166E），其在12％（v/v）TFE中的抗性提高了7.8倍，同时保持了与野生菌株相当的催化活性（〜92％）。后者得益于CompassR重组方法的应用（Chem. Euro. J., 2020, 26, 643-649）。该研究证实，通过表面电荷工程强化蛋白质表面水合作用是调节有机溶剂中酶稳定性的一种高效的理性改造策略。

图1. 水化层指导的蛋白质工程以改造酶的有机溶剂耐受性。图片来源：ACS Catal.

这一成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章第一作者是亚琛工业大学博士生崔海洋。中国科学院天津工业生物技术研究所的张玲玲研究员在论文构架和润色方面给予了大力支持。崔海洋博士师从定向进化领域的专家Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg （RWTH-Aachen University, Biotechnology Institute），在博士期间的研究课题为计算机指导下的定向进化和高效的突变体重组方法的研究。同时，该论文的另一位通讯作者Dr. Mehdi D. Davari在分子模拟方面进行了殷切指导。这项工作得到了亚琛工业大学JARA-HPC授予的计算资源的支持（JARA0169和JARA0187）。

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Enzyme Hydration Determines Resistance in Organic Cosolvents

Haiyang Cui, Lingling Zhang, Lobna Eltoukhy, Qianjia Jiang, Seval Kübra Korkunç, Karl-Erich Jaeger, Ulrich Schwaneberg*, Mehdi D. Davari*

ACS Catal., 2020, 10, 14847–14856, DOI: 10.1021/acscatal.0c03233

导师介绍

Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg 简介

Ulrich Schwaneberg教授于1999年在斯图加特大学获得博士学位（导师R. D. Schmid教授，德国）。在美国加州理工学院进行博士后研究后（导师Frances H. Arnold教授，2018年诺贝尔奖获得者），于2002年在不来梅雅各布斯大学担任教授。2009年，就任亚琛工业大学任生物技术研究所所长，并于2010年同时在DWI-Leibniz莱布尼茨交互材料研究所任职。他是生物经济科学中心的董事会成员，并且是SeSaM Biotech和Aachen Proteineers公司的联合创始人。目前已发表了300多篇文章，申请20多项专利。

课题组网站：

https://www.biotec.rwth-aachen.de/cms/~imne/BIOTEC/

Dr. Mehdi D. Davari 简介

Mehdi D. Davari于Shahid Beheshti University（德黑兰）获得计算物理化学博士学位。之后在德国马克斯•普朗克生物物理化学研究所（哥廷根）从事计算生物分子化学的博士后研究。Mehdi目前是亚琛工业大学生物技术研究所计算生物学部门的负责人。同时，他一直担任HICAST（汉高先进可持续技术创新校园）的协调员，并将于2021年4月起在莱布尼茨植物生物化学所任职。目前的研究兴趣集中通过生物分子模拟和人工智能方法阐明蛋白质的结构-动力学-功能关系和蛋白质设计。

招生信息：

http://muchong.com/t-14602578-1

中科院天津工业生物技术研究所张玲玲研究员招聘信息：

http://www.tib.cas.cn/tzxx/rczp/202009/t20200918_5699586.html