溫度是進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)力之一。隨著溫度的升高，酶的催化活性會(huì)相應(yīng)的提高，但與此同時(shí)，酶與底物之間的親和力會(huì)下降。因此，在高溫適應(yīng)的過(guò)程中，只提高熱穩(wěn)定性是不夠的，酶可能會(huì)遇到底物親和力太弱的問(wèn)題。金屬離子能夠增強(qiáng)金屬酶的活性、穩(wěn)定性和底物親和力，但是金屬離子螯合氨基酸在高溫適應(yīng)性過(guò)程的作用尚不明確。近日，青島能源所微生物資源團(tuán)隊(duì)針對(duì)多糖裂解酶高溫適應(yīng)性的相關(guān)研究結(jié)果證明金屬離子螯合氨基酸在酶的高溫適應(yīng)過(guò)程中提高底物親和力的功能，相關(guān)成果發(fā)表在FEBS Letter 雜志（DOI: 10.1002/1873-3468.12965）。
Defluviitalea phaphyphila是課題組從青島沿海沉積物中分離得到的一株嗜熱厭氧細(xì)菌，該菌株具有強(qiáng)大的多糖裂解酶體系，能夠直接轉(zhuǎn)化褐藻中的海藻酸鈉等多糖，產(chǎn)生乙醇。研究人員首先對(duì)來(lái)自D. phaphyphila 的其中一個(gè)鈣離子依賴(lài)型海藻酸鈉裂解酶 AlgAT0進(jìn)行了詳細(xì)的酶學(xué)研究。研究表明，結(jié)合鈣離子時(shí)，AlgAT0最適溫度為75 ，半衰期長(zhǎng)達(dá)4.5小時(shí)。而目前已有報(bào)道中，熱穩(wěn)定性最好的海藻酸鈉裂解酶是來(lái)自 Nitratiruptor sp. SB115-2的裂解酶rNitAly，但它在67 下的半衰期只有30分鐘。
在此基礎(chǔ)上，課題組研究了鈣離子螯合氨基酸對(duì)AlgAT0高溫適應(yīng)性的影響。蛋白序列對(duì)比發(fā)現(xiàn)，AlgAT0用一個(gè)天冬氨酸替換了第238位的谷氨酸（圖1）。既然天冬氨酸三個(gè)基團(tuán)的解離常數(shù)都小于谷氨酸，所以研究人員大膽猜測(cè)，第238位的氨基酸替換很可能增強(qiáng)了酶對(duì)鈣離子的螯合力。通過(guò)等溫滴定量熱儀（ITC）的實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn) AlgAT0對(duì)鈣離子的親和力確實(shí)強(qiáng)于突變體D238E。進(jìn)一步的酶動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，突變體D238E的底物親和力發(fā)生下降，最適溫度也相應(yīng)的下降，但是熱穩(wěn)定性卻變化不大。這表明AlgAT0通過(guò)第238位天冬氨酸對(duì)谷氨酸的替換來(lái)增強(qiáng)鈣離子親和力，并進(jìn)一步的增強(qiáng)底物親和力，以此來(lái)適應(yīng)高溫環(huán)境。該研究不僅從新的視角揭示了耐高溫酶的高溫適應(yīng)性機(jī)制，還為耐高溫酶的定向改造提供了新思路。
上述研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)杰出青年基金以及青島市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支持。（文/圖 王兵 馬小清）
圖1，A，不同離子AlgAT0活性的影響。B，鈣離子提高AlgAT0最適溫度。紅色，鈣離子存在。黑色，無(wú)鈣離子。C，部分蛋白序列對(duì)比圖。AlgAT0替換第238位鈣離子螯合氨基酸（藍(lán)色三角形標(biāo)示）。三角形指示鈣離子螯合氨基酸，圓形指示催化氨基酸。
