Nature Chemical Biology:提高酶性能的新方法

2021-01-11 生物谷

目前,一個由捷克斯洛伐克共和國,德國和日本的科學家組成的科研小組開發了一種提高酶性能新方法。該方法或能用於化學,醫學和食品工業。

這項研究結果發布在Nature Chemical Biology上。

一些由於人類活動而進入環境中的化學物質,對人類和動物健康會產生嚴重的消極影響,往往很多是大自然不能自行降解的。這種改進的酶能夠用於有害化學物質的清除,可以更加高效地移除環境中的有害化學物質。

這項發現是基於酶的基因操作,經處理的酶能夠高效地促進化學反應。研究人員介紹說,現在他們能夠使用基因修飾改變酶的性能,使得酶更快地分解環境中的有害物質。

科學家一直關注於酶活性位點的修飾。這種新的方法,能夠通過一種叫進口通道(access tunnels)的修飾連接酶表面的活性位點。

科研人員用這種方法修飾一種能降解劇毒物質三氯丙烷(TCP)的酶,TCP是化學生產的次級產物,能夠在土壤和地下水中存在100多年,會汙染飲用水也是一種致癌源。蛋白質工程人員使用該新方法修飾的酶,其降解TCP的速度比原來的酶快了32倍。

此外,不僅僅是用於降解有害物質和環境保護,這種方法還可用於更廣泛的領域,包括生物醫學,化學和食品工業。(生物谷Bioon.com)

生物谷國慶專題:新中國生命科學60年

生物谷推薦原始出處:

Nature Chemical Biology 5, 727 - 733 (2009)23 August 2009 | doi:10.1038/nchembio.205

Redesigning dehalogenase access tunnels as a strategy for degrading an anthropogenic substrate

Martina Pavlova1,5, Martin Klvana1,5, Zbynek Prokop1, Radka Chaloupkova1, Pavel Banas2, Michal Otyepka2, Rebecca C Wade3, Masataka Tsuda4, Yuji Nagata4 & Jiri Damborsky1

Abstract

Engineering enzymes to degrade anthropogenic compounds efficiently is challenging. We obtained Rhodococcus rhodochrous haloalkane dehalogenase mutants with up to 32-fold higher activity than wild type toward the toxic, recalcitrant anthropogenic compound 1,2,3-trichloropropane (TCP) using a new strategy. We identified key residues in access tunnels connecting the buried active site with bulk solvent by rational design and randomized them by directed evolution. The most active mutant has large aromatic residues at two out of three randomized positions and two positions modified by site-directed mutagenesis. These changes apparently enhance activity with TCP by decreasing accessibility of the active site for water molecules, thereby promoting activated complex formation. Kinetic analyses confirmed that the mutations improved carbon-halogen bond cleavage and shifted the rate-limiting step to the release of products. Engineering access tunnels by combining computer-assisted protein design with directed evolution may be a valuable strategy for refining catalytic properties of enzymes with buried active sites.

1 Loschmidt Laboratories, Institute of Experimental Biology and National Centre for Biomolecular Research, Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czech Republic.
2 Department of Physical Chemistry and Center for Biomolecules and Complex Molecular Systems, Palacky University, Olomouc, Czech Republic.
3 Molecular and Cellular Modeling Group, EML Research gGmbH, Heidelberg, Germany.
4 Department of Environmental Life Sciences, Graduate School of Life Sciences, Tohoku University, Sendai, Japan.
5 These authors contributed equally to this work.

相關焦點

  • Nature Chemical Biology :從大腸桿菌中獲取生物燃料
    許多學者,包括一些生物燃料公司,已經通過基因改變梭菌的方法來增強其獲取丁醇的能力,還有的將外源基因植入酵母菌或大腸桿菌中產生丁醇。目前的研究方法是將梭菌合成丁醇的5個酶植入上述菌內,但因為無法克服因中間體不穩定返回原料的瓶頸問題,一公升細菌培養液獲取丁醇不足0.5克,遠不夠人們對生物燃料的大量需求。
  • Nature chemical biology:DNA損傷修復——老問題還有新進展
    近日,來自美國洛克菲勒大學的研究人員在國際學術期刊nature chemical biology上發表了一項最新研究進展,就DNA損傷修復機制進行了進一步研究,揭示了這一過程的一些新信息。利用這種方法研究人員不僅發現了一些能夠與H2AX發生強相互作用促進DNA修復的蛋白分子,還找到一些弱結合蛋白。其中一種叫做53BP1的DNA修復蛋白能夠與磷酸化H2AX發生結合,這種相互作用可以幫助53BP1到達DNA損傷位點使其能夠通過損傷修復機制將斷裂的雙鏈連接到一起。
  • Nature Chemical Biology:發現一種新型抗生素
    儘管對治療方法不斷有新的需求,但在過去的40年中也只開發了兩類新的抗生素。 現在,麥克馬斯特大學的研究人員發現了一種新的化合物,並開始開發了一種新的抵抗感染的幹預方法。 這項研究的負責人Eric Brown教授介紹說,他們已經識別了一種新型的化合物,該物質以一種與現有抗生素不同的方式靶向定位藥物抑制細菌。這項發現將引導新的抗菌療法,以克服特殊類型微生物的抗生素抗性。
  • Nature:一種DNA修復雙氧酶的氧化中間體
    這些結構為這些酶怎樣進行氧化脫甲基反應提供了詳細的機制性見解。(生物谷Bioon.com)生物谷推薦英文摘要:Nature doi:10.1038/nature09497 Iron-catalysed oxidation intermediates captured in a DNA repair dioxygenase
  • Nature:細菌鞭毛分泌的動力來源並非ATP酶
    科學家認為,ATP酶FliL為這種輸送提供能量,但本期Nature上兩篇論文反對這一被普遍接受的觀點。這兩個研究小組都發現,鞭毛分泌即使是在沒有這種ATP酶的情況下也能發生,而且為該過程提供能量的是質子運動力。
  • Nature:線粒體tRNA合成酶與核酶複合體的晶體結構
    在現代生物學中,蛋白已經成為細胞中完成酶催化作用的主要角色,而核酸則仍舊扮演攜帶遺傳信息的角色。然而,在細胞內,仍然有RNA世界的遺蹟。其中一個遺蹟就是線粒體tyrosyl-tRNA合成酶CYT-18,它來自真菌鏈孢黴,也與一種group  I  intron核酶結合,並且幫助進行剪接。現在,這一蛋白/核酶複合體的晶體結構已被確定。
  • Nature:胸腺嘧啶新的生物合成路徑
    胸腺嘧啶(四種普遍存在的DNA鹼基之一)是由胸苷酸合成酶合成的,這種酶催化「2′-脫氧尿苷-5′-單磷酸鹽」的尿嘧啶部分的甲基化。傳統胸苷酸合成酶,包括人體的這種酶,利用一個活性點胺基酸側鏈來在該反應的這一階段激發基質。
  • Nature子刊:一種簡單的新方法!大幅提升鋁合金疲勞性能
    編輯推薦:本文提出了新的改善鋁合金疲勞壽命的方法,可大幅提高析出強化鋁合金的高周疲勞性能,疲勞壽命增加了一個數量級甚至更多,且疲勞強度增加到抗拉強度的1/2(與鋼基本持平)。該方法可以應用於其他含無析出帶的析出強化合金疲勞性能提高。
  • 上海交大吳方課題組最新研究成果發現細菌硫化氫氣體產生酶新型...
    細菌耐藥性是亟待解決的全球性問題,但近30年來只有為數不多的抗生素藥物被批准上市,因此急需具有新機制和新靶點的藥物先導物。重要地,該抑制劑具有良好的選擇性,其不抑制其人MST同源酶等其它氧化還原酶活性。通過酶動力學、分子突變、代謝物靶向質譜檢測、反應活性氧RoGFP2實時探針和細菌CRISPER/Cas9基因編輯等多學科交叉方法,系統地證實了羅格列酮在分子和細菌水平在靶性(on-target)、有效性和分子機制。
  • 科學家實現光酶對映選擇性分子間自由基氫烷基化
    研究人員發現了一種新的、自然可見光誘導的烯還原酶催化的末端烯烴與α-滷代羰基化合物的分子間自由基加氫烷基化反應。該方法為具有γ-立體中心的各種羰基化合物提供了一種有效的方法,其具有優異的收率和對映選擇性(高達99%的收率,99%的對映體過量),否則很難通過化學催化獲得。
  • Chemical Science: 酶特異性探針底物研發新策略
    近日,中科院大連化學物理研究所楊凌團隊探索出酶特異性探針底物的研發新策略,該團隊採用計算機輔助篩選及酶催化位點局部改造的策略成功設計研發了首個細胞色素P450 1A1亞酶的高特異性螢光探針底物。
  • 《生物專業英語(Biology English)》學習技巧
    1、生物專業英語的概念以生物學常用知識為主線,運用概念解釋、理論闡述、知識介紹等多種形式,幫助讀者掌握生物學專業英語的基本術語和表達方式,能切實提高生物工作者實際運用專業英語的能力。從電視裡還可以看到層出不窮、既有教育意義又有娛樂性的新節目。 (4) 綜合法。上面我們講述了英語長句的逆序法、順序法和分句法,事實上,在翻譯一個英語長句時,並不只是單純地使用一種翻譯方法,而是要求我們把各種方法綜合使用,這在我們上面所舉的例子中也有所體現。
  • 通過對一系列宏基因組的亞胺還原酶進行篩選和表徵實現生物催化...
    Turner研究團隊通過對一系列不同的亞胺還原酶進行篩選和表徵,成功實現了還原胺化反應的生物催化。相關論文發表在2020年12月30日出版的《自然-化學》雜誌上。 在該文中,研究者報導了超過300種新發現的亞胺還原酶,並產生了一個大(384種酶)且序列多樣的用於篩選的亞胺還原酶庫。研究人員還開發了一個簡便高通量的篩選其活性的方法。
  • 化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)
    中華人民共和國水汙染防治法》,保護生態環境,保障人體健康,規範化學需氧量(CODCr)水質在線自動監測儀的技術性能,制定本標準。The technical requirement for water quality automatic analyzer of permanganate index標準號:HJ/T 100-20032003-07-01 實施為貫徹執行《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國水汙染防治法》,提高我國水環境監測工作的能力
  • Nature:突破性新方法合成出上百種新的大環內酯類抗生素
    針對這項研究,來自美國斯克裡普斯研究所的Ming Yan和Phil Baran發表在同期Nature期刊上發表一篇標題為「Drug discovery: Fighting evolution with chemical synthesis」的新聞與評論類型的文章,在這篇文章中,他們認為這項新技術可能有助醫學研究人員趕得上細菌進化的步伐。
  • Cell Chem Biol:基於溶液的蛋白動態結構解析新方法
    但是,這些方法依賴於相對專業化的液相色譜設備,限制了它們的應用和推廣。實驗者採用深度突變掃描(deep mutational scanning,DMS)的方法,找到了一些胺基酸位點。用半胱氨酸取代這些胺基酸不會擾亂蛋白質的功能。突變體被表達和純化後,暴露在溶劑中的半胱氨酸殘基會被化學試劑所標記,而未被標記的胺基酸會被封閉起來。然後,科學家對蛋白質進行酶切消化,並用質譜對標記的胺基酸殘基進行量化。
  • Nature:提高人工合成基因迴路的準確性
    針對這項研究,來自美國加州理工學院的Xiaojing Gao和Michael Elowitz發表一篇「新聞與評論」類型的論文,論文標題為「Synthetic biology: Precision timing in a cell」,並且解釋了他們的研究結果如何可能改善對天然基因迴路的理解。
  • BMC Biology | 近期研究精選
    期刊:BMC Biology 原文連結:https://marketing.springernature.com/SAP/CUAN/ZCUAN_PERSEMAIL
  • 酶工程技術用於降解與回收塑料垃圾
    科學家們一直在研究有效的方法回收廢棄的塑料以解決塑料垃圾的汙染問題,PET的主要回收手段是熱機械方法,但是這種方法容易導致塑料機械性能的損失。因此,工業上優選從頭合成PET而不是再回收利用,最終導致PET廢物的持續積累。此外,PET具有高比例的芳族對苯二甲酸酯單元(會降低鏈遷移率),這種聚酯很難水解。
  • 可酶激活的工程DNA酶傳感器實現金屬離子的細胞選擇性成像
    可酶激活的工程DNA酶傳感器實現金屬離子的細胞選擇性成像 作者:小柯機器人 發布時間:2021/1/7 13:43:03 國家納米科學中心Lele Li研究團隊取得一項新突破。