中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組研究員馮銀剛帶領的研究團隊，在能源微生物的一對相互作用蛋白質模塊中發現一種獨特的pH依賴的雙結合位點切換現象，並闡明其化學和結構機制。近日，相關研究成果發表在Science Advances上。該研究揭示生物體系複雜精巧的調控機制，並為pH依賴的蛋白質器件和生物材料開發提供新素材，在合成生物學和生物技術應用中具有重要價值。
pH是幾乎所有在水溶液中進行的化學反應的重要因素，在生命過程中起重要作用。生物體中有許多pH依賴的蛋白質功能開關，可調控細胞的生理和生化過程，並可作為生物技術開發中的關鍵感應器件和功能開關。目前已知的pH依賴的蛋白質構象變化均是通過感應pH變化實現「打開-關閉」式的開關切換控制，發現新型的pH依賴的蛋白質互作方式具有科學應用價值。代謝物組學研究組以一種高效降解木質纖維素的多酶複合體「纖維小體」為對象開展研究，並在研究丙酮丁醇梭菌（一種產溶劑梭菌）的纖維小體時，發現全新的pH依賴的蛋白質相互作用變化方式。研究人員通過核磁共振技術發現該細菌中的一對纖維小體組裝模塊——粘連模塊和對接模塊，在低pH條件下會選擇性結合於一個位點，而在高pH條件下選擇性結合於另一個位點，從而形成在不同pH條件下兩個相互作用位點之間的切換（如圖）。研究人員利用核磁共振、X射線晶體學、微量熱與分子動力學模擬等多種生物物理技術，揭示這兩個蛋白模塊相互作用在pH依賴性方面的化學和結構機制，即對接模塊上兩個結合位點的多對不對稱殘基，以及粘連模塊上結合位點處的一段富含負電的柔性區殘基的pKa漂移共同造成這對蛋白模塊相互作用的pH依賴的位點切換現象。這種pH依賴的蛋白質互作模式不同於其他已知的pH依賴性蛋白質互作方式，揭示生命體中可能存在的複雜分子作用機制，並為生物材料開發、蛋白質感應器件設計、合成生物學元件設計等多種生物技術應用提供嶄新的素材和方案。
青島能源所代謝物組學研究組致力於木質纖維素降解利用和生物質燃料開發，在高效降解木質纖維素的分子機器「纖維小體」研究中取得多項成果，在高溫厭氧菌的遺傳改造、代謝工程和合成生物學開發方面，形成獨具特色的研究方向。該論文報導的研究成果是代謝物組學研究組在木質纖維素降解利用和「纖維小體」研究中取得的成果。代謝物組學研究組博士生姚形哲、助理研究員陳超，蛋白質設計研究組副研究員王業飛是論文的共同第一作者；馮銀剛為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委、中科院及以色列科學基金會的資助。
pH依賴的蛋白質相互作用位點切換。A、不同pH條件下通過核磁共振觀測到的不同的相互作用位點。B、兩種結合方式的複合物晶體結構。C、pH依賴的結合位點切換機制的卡通模型。該模型中藍色為粘連模塊，黃色/綠色為一個對接模塊上的兩個部分對稱的結合位點。
論文連結：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abd7182