青島能源所代謝物組學研究組馮銀剛研究員帶領的研究團隊在能源微生物的一對相互作用蛋白質(zhì)模塊中發(fā)現(xiàn)了一種獨特的pH依賴的雙結合位點切換現(xiàn)象，并闡明了其化學和結構機制，相關成果近日發(fā)表于國際高影響刊物Science Advances。該研究不僅揭示了生物體系復雜精巧的調(diào)控機制，同時也為pH依賴的蛋白質(zhì)器件和生物材料開發(fā)提供了新的素材，在合成生物學和生物技術應用中具有重要價值。
pH是幾乎所有在水溶液中進行的化學反應的重要因素，在生命過程中具有重要的作用。生物體中有許多pH依賴的蛋白質(zhì)功能開關，不僅可調(diào)控細胞的生理和生化過程，而且可作為生物技術開發(fā)中的關鍵感應器件和功能開關。目前已知的pH依賴的蛋白質(zhì)構象變化都是通過感應pH變化實現(xiàn)“打開-關閉”式的開關切換控制，發(fā)現(xiàn)新型的pH依賴的蛋白質(zhì)互作方式具有重要的科學應用價值。代謝物組學研究組長期以來以一種高效降解木質(zhì)纖維素的多酶復合體“纖維小體”為對象開展研究，并在研究一種產(chǎn)溶劑梭菌——丙酮丁醇梭菌——的纖維小體時，發(fā)現(xiàn)了一種全新的pH依賴的蛋白質(zhì)相互作用變化方式。研究人員通過核磁共振技術發(fā)現(xiàn)該細菌中的一對纖維小體組裝模塊——粘連模塊和對接模塊——在低pH條件下會選擇性結合于一個位點，而在高pH條件下選擇性結合于另一個位點，從而形成了在不同pH條件下兩個相互作用位點之間的切換（圖1）。隨后，研究人員利用核磁共振、X射線晶體學、微量熱、分子動力學模擬等多種生物物理技術，揭示了這兩個蛋白模塊相互作用在pH依賴性方面的化學和結構機制：對接模塊上兩個結合位點的多對不對稱殘基，以及粘連模塊上結合位點處的一段富含負電的柔性區(qū)殘基的pKa漂移共同造成了這對蛋白模塊相互作用的pH依賴的位點切換現(xiàn)象。這種精巧的pH依賴的蛋白質(zhì)互作模式不同于其他已知的pH依賴性蛋白質(zhì)互作方式，不僅揭示了生命體中可能存在的復雜分子作用機制，而且為生物材料開發(fā)、蛋白質(zhì)感應器件設計、合成生物學元件設計等多種生物技術應用提供了嶄新的素材和方案。
代謝物組學研究組長期致力于木質(zhì)纖維素降解利用和生物質(zhì)燃料開發(fā)，在高效降解木質(zhì)纖維素的分子機器“纖維小體”研究中取得了多項重要的研究成果，在高溫厭氧菌的遺傳改造、代謝工程和合成生物學開發(fā)方面，形成了獨具特色的研究方向和國際領先的技術優(yōu)勢。該論文所報道的研究成果是代謝物組學研究組長期堅持在木質(zhì)纖維素降解利用和“纖維小體”研究中取得的重要成果。代謝物組學研究組博士生姚形哲、助理研究員陳超、蛋白質(zhì)設計研究組副研究員王業(yè)飛是本論文的共同第一作者，代謝物組學研究組馮銀剛研究員為本論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、中科院以及以色列科學基金會的資助。
圖1. pH依賴的蛋白質(zhì)相互作用位點切換。A. 不同pH條件下通過核磁共振觀測到的不同的相互作用位點。B. 兩種結合方式的復合物晶體結構。C. pH依賴的結合位點切換機制的卡通模型。該模型中藍色為粘連模塊，黃色/綠色為一個對接模塊上的兩個部分對稱的結合位點。（文/圖 馮銀剛）
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abd7182
X. Yao, C. Chen, Y. Wang, S. Dong, Y.-J. Liu, Y. Li, Z. Cui, W. Gong, S. Perrett, L. Yao, R. Lamed, E. A. Bayer, Q. Cui, Y. Feng (2020) Discovery and mechanism of a pH-dependent dual-binding-site switch in the interaction of a pair of protein modules. Sci. Adv. 6, eabd7182.
