北理工“生物轉化與合成生物系統(tǒng)”研究團隊在物理化學國際知名期刊發(fā)表文章
發(fā)布日期：2018-09-17 供稿：化學與化工學院 馮旭東
編輯：秦月 審核：李春 閱讀次數：在國家杰出青年科學基金、國家自然科學重點基金、國家自然科學青年基金項目的資助下，北京理工大學化學與化工學院“生物轉化與合成生物系統(tǒng)”研究團隊李春教授課題組在物理化學國際知名期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》雜志上發(fā)表題為“Design of Glyco-Linkers at Multiple Structural Levels to Modulate Protein Stability” 的研究論文。這項研究由北京理工大學化學與化工學院李春教授課題組與中科院高能物理所趙麗娜副研究員課題組合作完成。
圖1 天然糖基化的“連接臂”作用機制
在真核生物中，N-糖基化是一種重要的翻譯后修飾，對調控蛋白質的穩(wěn)定性具有至關重要的作用。然而，生物體內自發(fā)的N-糖基化隨機性較強，大多的糖基修飾不能處于穩(wěn)定蛋白質構象的最佳位點，導致其對蛋白質穩(wěn)定性的提升作用不顯著，甚至不合適的N-糖基還會降低酶的穩(wěn)定性，大大限制了其在蛋白質穩(wěn)定性改造中的應用。
圖2 人工設計的“糖橋”和“糖卡”構象顯著提高PGUS的熱穩(wěn)定性
北京理工大學化學與化工學院李春教授課題組在前期完成晶體結構解析的真菌β-葡萄糖醛酸酶（PGUS，同源四聚體結構）為模型蛋白，并將其在畢赤酵母（能夠在蛋白質的特定位點引入高甘露糖型糖鏈）中異源表達（PGUS-P），驗證了蛋白質內源的Asn383和Asn594位點的糖基化對PGUS-P的穩(wěn)定性有顯著影響。通過計算機模擬與實驗相結合的方法，揭示了PGUS-P的兩個內源N-糖基功能類似于“連接臂”，能將空間上距離相近的超二級結構域相連，使得其局部結構更加緊湊，從而提高了蛋白質的整體穩(wěn)定性（圖1）。以此為啟發(fā)，研究人員通過對PGUS的晶體結構分析，在超二級結構域、結構域、亞基界面間設計了N-糖基化位點，進一步提高了PGUS-P的動力學、熱力學穩(wěn)定性。酶學性質表征并結合全原子分子動力學模擬結果表明，在結構域界面間的Asn208位糖鏈和周圍二個結構域產生的作用力，形成了“糖橋”構型，將蛋白質在70°C下的半衰期提高了2.7倍，去折疊自由能提高了8.4 kJ/mol；而在亞基界面間的Asn40位糖鏈通過和相鄰亞基的作用，形成了“糖卡”構型，將熱穩(wěn)定性提高了7.1倍，去折疊自由能提高了14.6 kJ/mol，同時酶的催化效率也提高了1.7倍（圖2）。
研究人員不僅從蛋白質多結構層次水平的角度對糖鏈和蛋白質之間的相互作用提供了獨特的見解，而且促進了N-糖基化的理性設計，使其成為提高蛋白質穩(wěn)定性的通用技術。相關研究發(fā)表在Journal of Physical Chemistry Letters（2018, 9, 4638?4645，IF="8.709）雜志上，該文章的第一作者是北京理工大學的馮旭東預聘助理教授和王小艷博士。
生物轉化與合成生物系統(tǒng)研究團隊（iBT-SynBios）自2005年在北理工成立以來，專注于抗逆生物催化和合成生物學的研究，已在Metab Eng、Curr Opin Biotech、AIChE J、J Phys Chem Lett、J Biol Chem、Chem Eng Sci、Chem Eng J、ACS Synth Biol、Nucleic Acids Res、Ind Eng Chem Res和Bioresource Technol等生物化學工程與化學工程領域的頂級期刊上發(fā)表文章120余篇，獲授權發(fā)明專利26項，獲省部級科技獎勵5項。課題組致力于利用合成生物技術和酶催化技術革新傳統(tǒng)微生物發(fā)酵與生物轉化模式，將繼續(xù)開展天然產物合成途徑的構建、路徑的優(yōu)化與精確調控和生物過程集成的研究，為實現綠色、高效的藥物、生物基化學品的生物制造提供新思路和新方法。
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