2020-03-25 生物物理研究所
語音播報
隨著地球上化石燃料日趨枯竭，尋求更安全、環保、經濟的替代燃料成為社會發展的必須。長鏈脂肪烴作為傳統液體燃料汽油的主要成分，對其生物合成途徑進行改造和優化是極有前景的替代產油方案。早期的研究發現光合生物藍藻中存在一條代謝途徑，可以直接利用光能合成長鏈脂肪烴，無需額外碳源，但是效率較低，對該途徑進行改造，獲得能夠高效產烴的藍藻，是開發清潔生物能源的一條可行途徑。
藍藻中長鏈脂肪烴合成途徑包括兩步酶促反應（圖a），分別由醯基載體蛋白還原酶（AAR,acyl-acyl carrier protein reductase）和脂肪醛脫甲醯加氧酶（ADO, aldehyde deformylating oxygenase）催化。其中AAR催化第一步反應，以攜帶醯基脂肪鏈的ACP（acyl carrier protein）蛋白或輔酶A（CoA）為底物，將之還原為長鏈脂肪醛，隨後ADO以AAR的產物脂肪醛為底物，催化其生成為少一個碳的脂肪烴。研究表明，這兩個酶單獨都可完成各自的催化反應，但是之前的研究結果不能解釋疏水的脂肪醛分子是如何在親水環境中在兩個水溶蛋白之間進行傳遞的；最近，有研究表明AAR和ADO可以形成複合物，且複合物的形成有利於催化反應的進行，但複合物的結構和對該途徑的具體意義尚不清楚。
中國科學院生物物理研究所李梅/常文瑞課題組2015年解析了藍藻ADO的晶體結構，繼續對該途徑進行深入研究，此次報導了藍藻Synechococcus elongatus PCC 7942來源的AAR的晶體結構，以及AAR結合ADO及不同底物（類似物）、輔因子的三個複合物的晶體結構（圖b，c）。通過結構分析和比較，結合相關的生化實驗，研究人員揭示了藍藻AAR結合底物和輔因子的結構細節，闡明了其採取「桌球機制」在同一位點結合底物和輔因子的結構基礎，揭示了AAR-ADO複合物的相互作用方式和關鍵胺基酸，並發現AAR-ADO複合物中形成了一個貫穿兩個蛋白的疏水通道，解釋了以前研究中一直困惑的脂肪醛分子是如何在兩個蛋白之間進行傳遞的問題。基於該項最新工作，並結合課題組前期的研究結果（Pro Cell, 2015），研究人員首次從結構生物學角度揭示了藍藻脂肪烴生物合成途徑的催化過程和調控機理（圖d），為繼續改造優化該途徑提供了重要基礎。
該項研究工作在線發表於3月23日的《自然-通訊》（Nature communications，DOI:10.1038/s41467-020-15268-y）。生物物理所研究員李梅為論文的通訊作者，聯合培養研究生高宇和高級工程師張紅梅為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到中科院B類先導專項、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目的共同資助。數據收集和樣品分析等工作得到上海光源、生物物理所蛋白質科學研究平臺等有關工作人員的支持和幫助。
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圖示：藍藻AAR和AAR-ADO複合物的結構及催化過程。（a）藍藻脂肪烴生物合成途徑示意圖，在本課題開展之前，只有ADO的結構被解析；（b）藍藻AAR結構，AAR的三個結構域分別以不同顏色展示；（c）藍藻AAR-ADO結構，ADO以白色展示；（d）基於本課題的結構和生化信息構建的藍藻脂肪烴生物合成途徑示意圖。
隨著地球上化石燃料日趨枯竭，尋求更安全、環保、經濟的替代燃料成為社會發展的必須。長鏈脂肪烴作為傳統液體燃料汽油的主要成分，對其生物合成途徑進行改造和優化是極有前景的替代產油方案。早期的研究發現光合生物藍藻中存在一條代謝途徑，可以直接利用光能合成長鏈脂肪烴，無需額外碳源，但是效率較低，對該途徑進行改造，獲得能夠高效產烴的藍藻，是開發清潔生物能源的一條可行途徑。
藍藻中長鏈脂肪烴合成途徑包括兩步酶促反應（圖a），分別由醯基載體蛋白還原酶（AAR,acyl-acyl carrier protein reductase）和脂肪醛脫甲醯加氧酶（ADO, aldehyde deformylating oxygenase）催化。其中AAR催化第一步反應，以攜帶醯基脂肪鏈的ACP（acyl carrier protein）蛋白或輔酶A（CoA）為底物，將之還原為長鏈脂肪醛，隨後ADO以AAR的產物脂肪醛為底物，催化其生成為少一個碳的脂肪烴。研究表明，這兩個酶單獨都可完成各自的催化反應，但是之前的研究結果不能解釋疏水的脂肪醛分子是如何在親水環境中在兩個水溶蛋白之間進行傳遞的；最近，有研究表明AAR和ADO可以形成複合物，且複合物的形成有利於催化反應的進行，但複合物的結構和對該途徑的具體意義尚不清楚。
中國科學院生物物理研究所李梅/常文瑞課題組2015年解析了藍藻ADO的晶體結構，繼續對該途徑進行深入研究，此次報導了藍藻Synechococcus elongatus PCC 7942來源的AAR的晶體結構，以及AAR結合ADO及不同底物（類似物）、輔因子的三個複合物的晶體結構（圖b，c）。通過結構分析和比較，結合相關的生化實驗，研究人員揭示了藍藻AAR結合底物和輔因子的結構細節，闡明了其採取「桌球機制」在同一位點結合底物和輔因子的結構基礎，揭示了AAR-ADO複合物的相互作用方式和關鍵胺基酸，並發現AAR-ADO複合物中形成了一個貫穿兩個蛋白的疏水通道，解釋了以前研究中一直困惑的脂肪醛分子是如何在兩個蛋白之間進行傳遞的問題。基於該項最新工作，並結合課題組前期的研究結果（Pro Cell, 2015），研究人員首次從結構生物學角度揭示了藍藻脂肪烴生物合成途徑的催化過程和調控機理（圖d），為繼續改造優化該途徑提供了重要基礎。
該項研究工作在線發表於3月23日的《自然-通訊》（Nature communications，DOI:10.1038/s41467-020-15268-y）。生物物理所研究員李梅為論文的通訊作者，聯合培養研究生高宇和高級工程師張紅梅為該項工作的共同第一作者。該研究工作得到中科院B類先導專項、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目的共同資助。數據收集和樣品分析等工作得到上海光源、生物物理所蛋白質科學研究平臺等有關工作人員的支持和幫助。
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圖示：藍藻AAR和AAR-ADO複合物的結構及催化過程。（a）藍藻脂肪烴生物合成途徑示意圖，在本課題開展之前，只有ADO的結構被解析；（b）藍藻AAR結構，AAR的三個結構域分別以不同顏色展示；（c）藍藻AAR-ADO結構，ADO以白色展示；（d）基於本課題的結構和生化信息構建的藍藻脂肪烴生物合成途徑示意圖。