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2月28日，精密測量院李從剛、楊明暉課題組在ATP合成酶開發(fā)及應(yīng)用研究中取得新進展，首次獲得具有單結(jié)構(gòu)域的ATP合成酶，解析了酶催化的分子機制，并將其應(yīng)用于多種底物分子的磷酸化實驗中。相關(guān)結(jié)果在國際期刊《德國應(yīng)用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上在線發(fā)表。

ATP是生物體內(nèi)最主要的能量來源，對于生命活動至關(guān)重要。生物體內(nèi)的ATP合成依賴于ATP合酶蛋白質(zhì)機器以及多結(jié)構(gòu)域的腺苷酸激酶（AdK）體系，系統(tǒng)龐大難以規(guī)模化應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)中常用的微生物發(fā)酵法和生物酶催化法也存在工藝繁冗、操作復(fù)雜不易控制等缺陷。因此，開發(fā)一種簡單且反應(yīng)條件溫和的高效ATP合成酶，實現(xiàn)體外和生物系統(tǒng)中ATP的可回收能量供應(yīng)具有非常重要的意義。

海棲熱袍菌組氨酸激酶HK853是一種具有多種催化功能的蛋白酶，具有良好的熱穩(wěn)定性和底物專一性。研究團隊發(fā)現(xiàn)，其CA結(jié)構(gòu)域具有新的ATP合成功能，可以利用ADP高效合成ATP，催化反應(yīng)溫和可控（圖1）。研究團隊在此基礎(chǔ)上設(shè)計了單結(jié)構(gòu)域ATP合成酶HK853^CA，運用核磁共振等多種先進技術(shù)表征了HK853^CA實現(xiàn)ATP合成催化反應(yīng)的最適條件，如溫度、濃度、pH值以及金屬離子結(jié)合能力等。通過實驗與分子動力學模擬相結(jié)合，解析了酶催化的分子機制，HK853^CA可以同時結(jié)合兩分子ADP生成ATP和AMP，反應(yīng)在一定條件下可逆（圖2）。作者還將ATP合成酶HK853^CA應(yīng)用于多種底物（如蛋白質(zhì)、DNA以及小分子等）磷酸化的生物體系中，成功實現(xiàn)了ADP和ATP能源分子的高效利用（圖3）。

研究團隊基于酶催化的分子機制設(shè)計了一系列突變以調(diào)節(jié)其催化活性，并發(fā)現(xiàn)此催化反應(yīng)在組氨酸激酶家族中具有一定的普適性，為后續(xù)的生物酶改造及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新的研究方向。

?基于細菌組氨酸激酶設(shè)計的單結(jié)構(gòu)域ATP合成酶

新型ATP合成酶HK853^CA的酶催化分子機制

ATP合成酶HK853^CA在蛋白質(zhì)、DNA及小分子磷酸化反應(yīng)中的應(yīng)用

相關(guān)研究以“An ATP "Synthase" Derived from a Single Structural Domain of Bacterial Histidine Kinase”為題發(fā)表在學術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學》上。文章的第一作者為中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院與華中科技大學武漢光電國家研究中心聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生吉仕夏。通訊作者為精測院原位生物大分子波譜分析組的副研究員劉乙祥和研究員姜凌。分子動力學模擬由楊明暉課題組博士陳家文完成。

該研究得到了國家自然科學基金委和中國科學院先導B計劃的資助。

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???文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318503