生命科学技术学院唐鸿志课题组在多环芳烃降解关键酶的理性改造方面取得进展
发布时间 :2024-05-10  阅读次数 :657

近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室唐鸿志教授团队在多环芳烃降解关键酶的研究方面取得新进展,通过合成生物学理性设计和改造策略实现低分子量多环芳烃到高分子量多环芳烃的降解,为环境治理及修复提供了潜在的应用价值。

本研究发现来源于高温菌Hydrogenibacillus sp. N12中的芳香环羟化酶NarAaAb相对于NarA2B2具有更广泛的底物谱和更强的高分子量PAHs的催化能力,但在适配相同电子传递蛋白PhtAcAd时,NarA2B2相对于NarAaAb具有更高的热稳定性。利用AlphaFold2 Multimer比较NarA2B2和NarAaAb三维结构,发现NarAaAb的底物口袋更大,组成两者底物口袋的氨基酸残基中只有4个氨基酸残基具有差异,通过点突变技术确定这4个氨基酸残基对NarAaAb催化高分子量PAHs的降解具有至关重要的作用。为了获得能够在高温下高效催化高分子量PAHs降解的芳香环羟化酶,对NarA2B2进行理性设计和改造,3种代表性突变体W316I、Y300FW316I、V236AW316IL375F除保留原有的低分子量PAHs降解能力外,还可催化多种高分子量PAHs的降解,且对不同高分子量PAH的催化效率是同工酶NarAaAb的2-4倍(图1)。本研究聚焦于芳香环羟化酶NarA2B2底物谱的理性设计和改造,实现从低分子量PAHs到高分子量PAHs的降解,为高分子量PAHs污染的生物修复提供多种基因资源。相关研究“Fine-tuning an aromatic ring-hydroxylating oxygenase to degrade high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbon”发表于生化领域主流期刊“Journal of Biological Chemistry”,博士生郭丽华和欧阳兴宇为共同第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。文章链接为:https://www.jbc.org/article/S0021-9258(24)01844-1/fulltext

图1 改造后的芳香环羟化酶NarA2B2的三维结构变化(A)及对高分子量PAHs的催化特性(B)

 

另一个研究通过同源序列比对和保守序列分析等手段,在高温菌株N12的基因组上确定了一个新的V型芳香环羟化酶NarA2B2。NarA2B2具有广泛的底物谱,可催化萘、菲、芴、苊、咔唑、二苯并噻吩、联苯和芘的降解;在检测NarA2B2对PAHs及其衍生物的催化产物时,发现该酶同时具有单加氧酶和双加氧酶的催化功能;NarA2B2对O2敏感,与还原剂L-抗坏血酸在厌氧环境下孵育可恢复其体外催化活性;利用AlphaFold2对NarA2B2的三维结构进行预测,并结合点突变技术,确定NarA2B2中参与PAHs催化的关键氨基酸残基。该研究填补了高温微生物中PAHs降解关键酶催化性质的研究空白,为后续高温环境下PAHs的生物修复提供高效的基因元件(图2)。该成果“Characterization of a novel aromatic ring-hydroxylating oxygenase NarA2B2 from thermophilic Hydrogenibacillus sp. strain N12”发表于微生物学领域主流期刊《Applied and Environmental Microbiology》,博士生郭丽华为第一作者,唐鸿志教授和王伟伟副研究员为通讯作者。文章链接如下:https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00865-23

图2 芳香环羟化酶NarA2B2的纯化和体外催化活性表征

以上工作受到了国家重点研发计划(项目号2021YFA0909500)、国家自然科学基金委员会(项目号32370106和32030004)和上海市优秀学术带头人(项目号20XD1421900)等项目的支持。