邱德文研究团队解析合成生物学中关键酶的定向进化机理

    近日,国家重点实验室邱德文研究团队与德国马普煤炭所的Manfred.T.Reetz教授、加州大学洛杉矶分校的Ken.Houk教授以及荷兰格罗宁根大学的Marco W. Fraaije教授等团队合作,利用定向进化的方法首次成功反转了一种耐热的拜耳-维立格(Baeyer-Villiger)单加氧酶TmCHMO对链式酮底物的区域选择性,实现了反式Baeyer-Villiger产物的合成,并通过分子动力学和量子力学的计算机模拟计算成功解析了其区域选择性反转的机制。相关研究成果发表在国际知名期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society, JACS)杂志上。
    据悉,Baeyer-Villiger单加氧酶广泛存在于生物体中,主要参与生物体内中间代谢产物的合成与降解过程,如生物体内的甾体激素的降解过程以及一些生物农药和天然产物的合成过程都需要该酶的参与。通过改造生物体代谢途径中的关键酶来提高生物农药和天然产物的产量是目前合成生物学研究中的一个关键策略。由于Baeyer-Villiger单加氧酶广泛参与生物农药和天然产物的合成过程,对其进行定向进化获得性质优化的突变体引起了酶学研究者的广泛关注。
    目前,在Baeyer-Villiger单加氧酶的研究当中有一个关键问题仍然没有解决:无法有效控制Baeyer-Villiger单加氧酶对链式酮底物的区域选择性,不能生成反式的产物,这严重限制了该酶在合成生物学中的应用。以上述问题为出发点,蛋白质农药团队与马普煤炭所的Manfred.T.Reetz教授、加州大学洛杉矶分校的Ken.Houk教授以及格罗宁根大学的Marco W. Fraaije教授等团队合作,利用多轮结合饱和突变(ISM)结合高通量筛选的方法,成功反转了耐热Baeyer-Villiger单加氧酶TmCHMO对三个链式酮底物的区域选择性。随后通过分子动力学和量子力学的计算方法,解析了突变酶克服传统的电荷效应,实现区域选择性反转的内在机理。
    该成果为Baeyer-Villiger单加氧酶的进一步改进和利用指明了方向,推动了该酶在合成生物农药研究中的应用,具有重要的理论意义和应用价值。李广悦研究员为论文的第一作者,植物病虫害生物学国家重点实验室为本论文的第一单位,本论文获得了中国农业科学院科技创新工程青年英才项目的资助。