“不舒适”盐桥的断裂有利于提高酶的有机溶剂耐受性和热稳定性

有机（共）溶剂（Organic Solvents，OSs）作为生物催化剂的反应介质，在化工领域中应用范围广泛，甚至是必不可少的。OS可以帮助溶解疏水性底物，易于产物回收，并可将反应平衡转移到期望的方向。然而，天然酶在存在OS的情况下经常遭受低活性或耐受性差的挑战，从而限制了其在生物催化中的广泛应用。近日，德国亚琛工业大学团队报告了一种灵巧的盐桥设计策略，该策略可同时提高模型酶枯草芽孢杆菌脂肪酶A（Bacillus subtilis lipase A，BSLA）的OS耐受性和热稳定性。研究人员通过对3450个BSLA突变体在形成和断裂盐桥（Salt Bridge）方面进行分析研究后，发现在BSLA表面形成的不适宜的盐桥可能是导致酶OS耐受性下降的原因。通过对四个突变位点的迭代重组，研究人员获得了优异的OS抗性突变体BSLA D64K/D144K，相对BSLA野生型其对三种OS (1,4-dioxane (DOX)、dimethyl sulfoxide (DMSO)、2,2,2-trifluoroethanol (TFE)) 的抗性最高提高7.6倍，同时表现出了出色的热稳定性（热稳定性提高137倍，半衰期提高3.3倍）。36个不同系统的分子动力学模拟表明，蛋白质局部优化的柔韧性和其增强的水化层共同决定了OS耐受性和50-100 °C下热稳定性的大幅增强。盐桥的重新设计为蛋白质工程师们提供了一种功能强大且可能通用的方法来构建有机溶剂耐受型和耐热型的脂肪酶，甚至其他α/β-水解酶。

图1. 理性突变为带相反电荷的氨基酸不仅可以断裂不适宜的盐桥，并能增强酶的有机溶剂耐受性和耐热性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一成果近期发表在 Angewandte Chemie International Edition 上，并被评为Hot Paper。文章第一作者是德国DWI莱布尼茨交互材料研究所和亚琛工业大学博士后崔海洋。德国于利息研究中心的Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger和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润色方面给予了大力支持（招聘信息见文末）。Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg 和 Dr. Mehdi D. Davari为论文的共同通讯作者。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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Less Unfavorable Salt Bridges on the Enzyme Surface Result in More Organic Cosolvent Resistance

Haiyang Cui, Lobna Eltoukhy, Lingling Zhang, Ulrich Markel, Karl-Erich Jaeger, Mehdi D. Davari*, Ulrich Schwaneberg*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101642

课题组成员介绍

Dr. Haiyang Cui

崔海洋博士，2016年硕士毕业于中国科学院大学，其间在中科院天津工业生物技术研究所进行蛋白质晶体学学习（导师，郭瑞庭研究员）。2020年11月在德国亚琛工业大学（RWTH-Aachen University）获得博士学位，师从Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg。同年，进入德国DWI莱布尼茨交互材料研究所进行博士后研究。2021年3月赴美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaig n）Prof. Dr. Huimin Zhao （赵惠民）课题组继续进行博士后研究。目前研究领域集中在分子模拟和机器学习指导下的蛋白质工程改造及其在生物催化方面的应用。

Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg

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

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。

招生信息见

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