近日，青岛农业大学生命科学学院微生物传感机制及开发利用团队在农林科学中国科学院1区Top期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry发表了题为“Structure-guided Subunit Interface Engineering to Improve the Catalytic Efficiency of Dimeric Enzymes of FAH Family”的研究论文。

该研究聚焦于2-酮-3-脱氧-D-羟基丁酸脱水酶（CcXylX）的结构和功能研究，它是Weimberg途径中用于分解 D-木糖的限速酶，也是延胡索酰乙酰乙酸水解酶（FAH）家族的成员。木糖是生物质木质纤维素的重要组分，因此，提高CcXylX催化活性和木糖的生物转化效率对于实现基于木质纤维素生物质资源的绿色生物制造以及国家“双碳”战略目标具有重要意义。

梁波教授、学生孟辰飞为论文第一作者，杨建明教授、梁波教授、吕雪峰研究员和梁雅静副研究员为共同通讯作者，青岛农业大学为第一通讯单位。本研究得到国家自然科学基金的资助。

CcXylX与已报道的FAH家族脱水酶不同，呈现出一个紧密的同源二聚体结构，且与底物的亲和性较差，因此其结构和功能具有独特性。为了提高CcXylX对底物的亲和性和催化效率，该研究利用X射线晶体衍射技术成功解析了高分辨晶体结构（PDB ID 9KKV/9KKT）。在蛋白结构和催化机制研究的基础上，针对二聚体界面精准设计获得了突变体CcXylXL210A/P181Q/Q308A。与野生型相比，该突变体的催化效率提高了 6.04 倍。分子动力学模拟结果表明，适度增强亚基间的灵活性能够促进底物的结合和催化反应的进行。将突变酶与Weimberg途径其他酶“一锅法”耦合，6小时内 77 %的D-木糖可转化为 56.05 ± 0.39 g/L的高附加值化合物α-酮戊二酸，创该底物产率新高。此外，二聚体界面改造策略也适用于提高 FAH 家族其他酶蛋白的催化活性。

因此，本研究不仅为脱水酶蛋白聚体界面改造提高性能的研究提供了丰富的理论基础，亦为提升木糖及木质纤维素全组分的生物转化效率提供了新的研究思路，这一突破为绿色生物制造生产高附加值产品带来了巨大潜力。

图1：2-酮-3-脱氧-D-羟基丁酸脱水酶的分子改造及其在α-酮戊二酸生物制造中的应用

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5c09893

撰稿：梁波