近日，bevictor伟德官网譚仁祥教授團隊在國際知名學術期刊Angew. Chem. Int. Ed.（IF: 15.336）在線發表題為 “Alteration of the Catalytic Reaction Trajectory of a Vicinal Oxygen Chelate Enzyme by Directed Evolution” 定向進化改變鄰氧螯合酶催化的反應軌迹的研究成果。
鄰氧螯合（VOC）家族酶可催化多種反應。其中，雙加氧酶如外二醇雙加氧酶（EDOs)、内二醇雙加氧酶（IDOs)可以催化芳香族化合物的環裂解，在好氧生物降解中發揮關鍵作用，對于維持全球碳循環以及環境保護具有重要意義。但目前為止，仍缺乏一個合适的平台來調控此類雙加氧酶的反應類型，尤其對于鄰苯醌代謝通路的反應軌迹，研究甚少。
譚仁祥課題組前期在研究抗腫瘤化合物chartreusin生物合成過程中發現，雙加氧酶ChaP可催化含鄰苯醌基團的底物chartrequinone氧化重排形成chartreusin。系統發育樹分析顯示，ChaP屬于VOC家族的新分支，在催化機制上與EDOs及IDOs相差較大，但其作用底物與兒茶酚有一定相似性。有研究報道，通過蛋白氨基酸突變，可實現EDOs和IDOs的互相轉變。受此啟發，定向進化被應用于ChaP 的人工改造。
首先，本文基于組合活性中心飽和測試（CAST）和疊代飽和誘變（ISM）原則，通過大規模建庫及随後的體外酶促反應驗證，成功篩選到可将chartrequinone轉化為chatric acid A 的最優突變株ChaPD49L/Y92A、 ChaPD49L/Y92G、 ChaPD49L/Y92T 和 ChaPD49L/Y92S，其轉化率高達95%，這徹底改變了ChaP原有的催化模式。在此基礎上，通過去卷積實驗，作者确定49位天冬氨酸突變成亮氨酸是ChaP催化反應類型轉變的開關，其餘突變位點與之的作用效應是協同而并非累加。為了更詳細地洞察機理，作者對篩選到的突變株進行了蛋白晶體培養。由此獲得了關鍵突變體 ChaPD49L、雙突變ChaPD49L/Q91C及ChaPD49L/Y109F的蛋白晶體結構。接下來，作者通過計算模拟進一步探讨反應機制，一定程度上解釋了底物chartrequinone在ChaP和ChaPD49L催化下形成不同産物的分布。除此之外，結合氧同位素标記、自由基驗證、低溫捕獲中間體、chartrequinon類似物17-hydroxy-Chq酶促反應等實驗，作者對ChaP突變株催化chartrequinone生成chatric acid A的反應機制進行了推測。
綜上，作者開發了一個平台，可以控制鄰氧螯合家族酶的催化反應軌迹。 這項研究加深了大衆對鄰氧螯合家族酶的理解，并擴大了它們的綠色催化庫，從而為重新利用這些具有應用潛力的加氧酶提供了範例。
VOC家族系統發育樹及ChaP定向進化策略
文章第一作者為bevictor伟德官网中藥品質與效能國家重點實驗室（培育）副教授王以爽、博士研究生鄭婉、碩士研究生金允俠及南京醫科大學副教授蔣南，通訊作者為譚仁祥教授和朱家鵬教授，bevictor伟德官网為第一通訊單位。該研究得到國家自然科學基金項目（81991524、82003608）和江蘇省自然科學基金項目（BK20211254）資助。
