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 近日，南京中醫(yī)藥大學(xué)譚仁祥教授團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)期刊Angew. Chem. Int. Ed.（中科院化學(xué)一區(qū)，IF: 15.336）在線發(fā)表題為 “Alteration of the Catalytic Reaction Trajectory of a Vicinal Oxygen Chelate Enzyme by Directed Evolution” 定向進(jìn)化改變鄰氧螯合酶催化的反應(yīng)軌跡的研究成果。

      鄰氧螯合（VOC）家族酶可催化多種反應(yīng)。其中，雙加氧酶如外二醇雙加氧酶（EDOs)、內(nèi)二醇雙加氧酶（IDOs)可以催化芳香族化合物的環(huán)裂解，在好氧生物降解中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對于維持全球碳循環(huán)以及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。但目前為止，仍缺乏一個(gè)合適的平臺(tái)來調(diào)控此類雙加氧酶的反應(yīng)類型，尤其對于鄰苯醌代謝通路的反應(yīng)軌跡，研究甚少。

譚仁祥課題組前期在研究抗腫瘤化合物chartreusin生物合成過程中發(fā)現(xiàn)，雙加氧酶 ChaP可催化含鄰苯醌基團(tuán)的底物chartrequinone氧化重排形成chartreusin。系統(tǒng)發(fā)育樹分析顯示，ChaP屬于VOC家族的新分支，在催化機(jī)制上與EDOs及IDOs相差較大，但其作用底物與兒茶酚有一定相似性。有研究報(bào)道，通過蛋白氨基酸突變，可實(shí)現(xiàn)EDOs和IDOs的互相轉(zhuǎn)變。受此啟發(fā)，定向進(jìn)化被應(yīng)用于ChaP 的人工改造。

首先，本文基于組合活性中心飽和測試（CAST）和迭代飽和誘變（ISM）原則，通過大規(guī)模建庫及隨后的體外酶促反應(yīng)驗(yàn)證，成功篩選到可將chartrequinone轉(zhuǎn)化為chatric acid A 的最優(yōu)突變株ChaP^D49L/Y92A、 ChaP^D49L/Y92G、 ChaP^D49L/Y92T和 ChaP^D49L/Y92S，其轉(zhuǎn)化率高達(dá)95%，這徹底改變了ChaP原有的催化模式。在此基礎(chǔ)上，通過去卷積實(shí)驗(yàn)，作者確定49位天冬氨酸突變成亮氨酸是ChaP催化反應(yīng)類型轉(zhuǎn)變的開關(guān)，其余突變位點(diǎn)與之的作用效應(yīng)是協(xié)同而并非累加。為了更詳細(xì)地洞察機(jī)理，作者對篩選到的突變株進(jìn)行了蛋白晶體培養(yǎng)。由此獲得了關(guān)鍵突變體 ChaP^D49L、雙突變ChaP^D49L/Q91C及ChaP^D49L/Y109F的蛋白晶體結(jié)構(gòu)。接下來，作者通過計(jì)算模擬進(jìn)一步探討反應(yīng)機(jī)制，一定程度上解釋了底物chartrequinone在ChaP和ChaP^D49L催化下形成不同產(chǎn)物的分布。除此之外，結(jié)合氧同位素標(biāo)記、自由基驗(yàn)證、低溫捕獲中間體、chartrequinon類似物17-hydroxy-Chq酶促反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)，作者對ChaP突變株催化chartrequinone生成chatric acid A的反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了推測。

綜上，作者開發(fā)了一個(gè)平臺(tái)，可以控制鄰氧螯合家族酶的催化反應(yīng)軌跡。 這項(xiàng)研究加深了大眾對鄰氧螯合家族酶的理解，并擴(kuò)大了它們的綠色催化庫，從而為重新利用這些具有應(yīng)用潛力的加氧酶提供了范例。

文章第一作者為南京中醫(yī)藥大學(xué)中藥品質(zhì)與效能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（培育）副教授王以爽、博士研究生鄭婉、碩士研究生金允俠及南京醫(yī)科大學(xué)副教授蔣南，通訊作者為譚仁祥教授和朱家鵬教授，南京中醫(yī)藥大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81991524、82003608）和江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20211254）資助。 

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201321