精密测量院在生物酶开发研究中取得新进展

2月28日，精密测量院李从刚、杨明晖课题组在ATP合成酶开发及应用研究中取得新进展，首次获得具有单结构域的ATP合成酶，解析了酶催化的分子机制，并将其应用于多种底物分子的磷酸化实验中。相关结果在国际期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上在线发表。

ATP是生物体内最主要的能量来源，对于生命活动至关重要。生物体内的ATP合成依赖于ATP合酶蛋白质机器以及多结构域的腺苷酸激酶（AdK）体系，系统庞大难以规模化应用，工业生产中常用的微生物发酵法和生物酶催化法也存在工艺繁冗、操作复杂不易控制等缺陷。因此，开发一种简单且反应条件温和的高效ATP合成酶，实现体外和生物系统中ATP的可回收能量供应具有非常重要的意义。

海栖热袍菌组氨酸激酶HK853是一种具有多种催化功能的蛋白酶，具有良好的热稳定性和底物专一性。研究团队发现，其CA结构域具有新的ATP合成功能，可以利用ADP高效合成ATP，催化反应温和可控（图1）。研究团队在此基础上设计了单结构域ATP合成酶HK853^CA，运用核磁共振等多种先进技术表征了HK853^CA实现ATP合成催化反应的最适条件，如温度、浓度、pH值以及金属离子结合能力等。通过实验与分子动力学模拟相结合，解析了酶催化的分子机制，HK853^CA可以同时结合两分子ADP生成ATP和AMP，反应在一定条件下可逆（图2）。作者还将ATP合成酶HK853^CA应用于多种底物（如蛋白质、DNA以及小分子等）磷酸化的生物体系中，成功实现了ADP和ATP能源分子的高效利用（图3）。

研究团队基于酶催化的分子机制设计了一系列突变以调节其催化活性，并发现此催化反应在组氨酸激酶家族中具有一定的普适性，为后续的生物酶改造及结构优化提供了新的研究方向。

 基于细菌组氨酸激酶设计的单结构域ATP合成酶

新型ATP合成酶HK853^CA的酶催化分子机制

ATP合成酶HK853^CA在蛋白质、DNA及小分子磷酸化反应中的应用

相关研究以“An ATP "Synthase" Derived from a Single Structural Domain of Bacterial Histidine Kinase”为题发表在学术期刊《德国应用化学》上。文章的第一作者为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院与华中科技大学武汉光电国家研究中心联合培养的博士研究生吉仕夏。通讯作者为精测院原位生物大分子波谱分析组的副研究员刘乙祥和研究员姜凌。分子动力学模拟由杨明晖课题组博士陈家文完成。

该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院先导B计划的资助。

   文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318503