大連理工大學楊青教授團隊揭示糖基水解酶降解天然多糖的協同機制

近日，大連理工大學生物工程學院生物分子靶標研究室在幾丁質酶協同降解晶態幾丁質方面取得重要進展，揭示協同作用提升幾丁質酶在幾丁質纖維上「奔跑」的耐力。研究成果「High-speed AFM reveals factors affecting the processivity of a chitinase during interfacial enzymatic hydrolysis of crystalline chitin」發表在國際催化領域頂級期刊ACS catalysis（IF=13）。大連理工大學生物工程學院屈明博副教授為文章第一作者，楊青教授為通訊作者。

纖維素和幾丁質等多聚糖類是自然界中含量最豐富的生物質資源。儘管他們水解的產物——葡萄糖或N-乙醯葡萄糖可以為人類提供食物和能源，但是它們極其難於水解，阻止了人工利用這些生物質。

自然界中纖維素和幾丁質的水解是一個發生在固液界面的催化過程，主要由糖基水解酶催化完成。這個過程高度依賴於糖基水解酶的「進程性」，即酶在不離開高聚底物的情況下，每次結合底物後連續重複催化的次數，也就是酶在底物上的持續奔跑距離。但是，人們對提高糖基水解酶「進程性」的因素缺乏深入的理解。

圖1.內切酶促進外切酶對幾丁質的水解。圖片來源：ACS Catalysis

在楊青教授和Toshio Ando教授的領導下，由大連理工大學、中國農科科學院和日本金澤大學組成的研究團隊，以昆蟲特有的、在蛻皮過程中參與表皮幾丁質快速降解的幾丁質水解酶系（OfChtI、OfChtII和OfChi-h）作為研究對象，利用高速原子力顯微鏡，在單分子水平上揭示了幾丁質酶系通過協同作用在固液界面催化幾丁質水解的特性：內切幾丁質酶（OfChtI和OfChtII）顯著提高外切幾丁質酶（OfChi-h）在幾丁質纖維上的持續奔跑距離（圖2）以及結合量，但是並不影響OfChi-h的奔跑速度。OfChi-h分子啟動奔跑是該過程的決速步驟，首次計算出了這個啟動的時間是0.22秒。

圖2.內切酶OfChtI和OfChtII促進外切酶OfChi-h在幾丁質纖維上的持續奔跑。圖片來源：ACS Catalysis

該研究闡明了幾丁質酶水解晶態幾丁質過程中，內切-外切幾丁質酶協同作用的機制，突出了內切幾丁質酶在促進外切酶持續奔跑中的作用，並強調外切幾丁質酶啟動奔跑的過程是晶態幾丁質水解的限速步驟之一。該工作將有助於設計開發幾丁質降解酶系實現幾丁質的快速降解；進一步闡明了昆蟲蛻皮過程表皮快速降解的分子機制；為理解糖苷水解酶在固液界面上的內外協同作用提供了新的認識；對於通過纖維素酶實現纖維素的快速降解也具有重要的參考價值。

楊青教授領導的團隊長期從事昆蟲表皮納米生物學的研究，針對病原菌、有害昆蟲等均以幾丁質作為結構多糖的特點，運用結構生物學和化學生物學等方法系統研究這些生物的幾丁質降解、合成與裝配，發現創新的綠色農藥分子靶標、開發綠色農藥和蛋白質仿生材料。

文章連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c02751

（來源：大連理工大學 版權屬原作者 謹致謝意）