酒石酸具有L(+)和D(-)型對映體，是很多精細化學品和藥物合成的手性前體元件。自然界中的酒石酸以L(+)型為主，而D(-)型酒石酸在自然界中較少存在，同時由于酒石酸是鏡像對稱的小分子量化合物，化學方法制備高對映體純度酒石酸也比較困難。通過環(huán)氧化物水解酶等生物催化劑可以水解順式環(huán)氧琥珀酸，高效制備高對映體純度的酒石酸，其中產(chǎn)生L(+)和D(-)酒石酸的順式環(huán)氧琥珀酸水解酶分別稱為CESH[L]和CESH[D]。雖然在上世紀70年代就已經(jīng)在自然界中發(fā)現(xiàn)了CESH[L]和CESH[D]，并隨后在工業(yè)化生產(chǎn)酒石酸中得到了應用，但由于缺乏這兩種酶的晶體結構，它們的立體催化機制一直還不清楚。此外，環(huán)氧化物水解酶種類繁多，已有的研究表明可以通過分子改造實現(xiàn)對不同種類的環(huán)氧化物底物進行水解，從而可以用來制備多種手性化合物，在生物催化劑的開發(fā)中具有重要意義。 青島能源所代謝物組學研究組研究人員在前期獲得的CESH[D]高純度表達純化的基礎上，通過與清華大學研究人員合作，成功解析了CESH[D]的高分辨晶體結構，并根據(jù)結構闡釋了CESH[D]的立體催化機制，近期發(fā)表在Chem. Commun.上（https://doi.org/10.1039/C8CC04398A）。CESH[D]的結構表明，一個鋅離子在底物結合中起到了關鍵作用，而周邊殘基通過大量的氫鍵作用使得催化殘基和底物被精確固定，從而實現(xiàn)了高精度的立體催化，產(chǎn)生高對映體純度的D(-)酒石酸。對CESH[D]的結構和催化機制的闡明，同時為基于這類酶進行新型生物催化劑設計開發(fā)提供了基礎。
上述工作由青島能源所馮銀剛研究員、崔球研究員和清華大學王新泉教授合作指導完成，青島能源所東升副研究員為論文的第一作者，該研究得到了國家自然科學基金委項目的支持。（文/圖 馮銀剛 東升）
圖1 產(chǎn)D(-)酒石酸的順式環(huán)氧琥珀酸水解酶CESH[D]的結構與催化機制。（A）CESH[D]的整體結構。（B）CESH[D]的活性位點結構及推測的底物結合模式。（C）根據(jù)結構分析推斷的催化機制。
相關成果發(fā)表：
1.Sheng Dong, Xi Liu, Gu-Zhen Cui, Qiu Cui*, Xinquan Wang*, Yingang Feng* (2018) Structural insight into the catalytic mechanism of a cis-epoxysuccinate hydrolase producing enantiomerically pure D(-)-tartaric acid. Chem. Commun. DOI：10.1039/C8CC04398A. https://doi.org/10.1039/C8CC04398A
2.Gu-Zhen Cui, Shan Wang, Yifei Li, Yi-Jun Tian, Yingang Feng, Qiu Cui* (2012) High yield recombinant expression, characterization and homology modeling of two types of cis-epoxysuccinic acid hydrolases. Protein J. 31(5):432-438. http://dx.doi.org/10.1007/s10930-012-9418-5
3.Shan Wang, Gu-Zhen Cui, Xiang-Fei Song, Yingang Feng*, Qiu Cui* (2012) Efficiency and stability enhancement of cis-epoxysuccinic acid hydrolase by fusion with a carbohydrate binding module and immobilization onto cellulose. Appl. Biochem. Biotechnol. 168(3):708-717. http://dx.doi.org/10.1007/s12010-012-9811-8
