上海交通大學在中鏈脂肪酸合成硫酯酶的定向設計方面取得新進展

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  近日,國際代謝工程領域重要學術期刊《Metabolic engineering》在線發表上海交通大學生命科學技術學院最新研究成果“Structure-guided Reshaping of the Acyl Binding Pocket of ‘TesA Thioesterase Enhances Octanoic Acid Production in E. coli”。上海交通大學博士生鄧茜為第一作者,馮雁教授和楊廣宇研究員為共同通訊作者。

  酰基鏈長為六到十個碳原子的中鏈脂肪酸(MCFAs, C6–C10)及衍生物具有獨特的應用價值。與長鏈組分相比,中鏈烷烴/烯烴及脂肪酸酯更適合用來替代汽油等現有化石燃料;中鏈脂肪酸還具有抗菌、免疫調控等效果,使相關衍生物廣泛應用於食品、藥物生產中。近年來脂肪酸的微生物合成取得瞭許多進展,但產物中應用價值更高的中鏈脂肪酸含量仍然較低。硫酯酶是脂肪酸合成過程中鏈長控制的關鍵酶,對硫酯酶進行底物選擇性的定向設計是提高中鏈脂肪酸合成能力的關鍵。

  大腸桿菌硫酯酶‘TesA(去除N端信號肽)是II型脂肪酸合成途徑中應用最廣泛的硫酯酶,但該酶底物選擇性寬泛,合成中鏈脂肪酸的能力較弱。研究小組聚焦‘TesA酰基結合口袋,預測與底物結合密切相關的熱點殘基;采用半理性設計(定點飽和突變和活性中心飽和測試)策略,利用酯酶底物acyl-pNP進行突變庫的高通量篩選、脂肪酸合成途徑真實底物acyl-ACP對優異突變體進行底物選擇性表征,獲得的最優突變體RD-2(M141L/E142D/Y145G/L146K)對中鏈底物C8-ACP的活性和選擇性比野生型分別提高瞭8倍和133倍。將最優突變體基因引入到脂肪酸合成工程菌中,所獲工程菌的辛酸產量比野生型提高10倍,在5-L發酵罐中辛酸產量達2.7 g/L,是目前大腸桿菌II型脂肪酸途徑報道的最高辛酸滴度。

  研究小組還解析瞭選擇性發生明顯轉變突變體的晶體結構。通過結構比較及動力學模擬分析,發現突變體酰基結合口袋底部139–145區域的顯著構象變化重塑瞭口袋形狀,同時口袋中部出現明顯的連續疏水界面。底物對接結果表明,連續疏水界面提高瞭突變體對中鏈底物的親和性,而重塑的酰基結合口袋使長鏈底物處於扭曲狀態,不利於酶與底物的結合,從而降低對長鏈底物的催化活性。研究首次證實瞭‘TesA 硫酯酶酰基結合口袋重塑與疏水性提高驅動瞭突變體底物選擇性的重大轉變,將為進一步改造SGNH傢族硫酯酶提供有力指導。

  該研究建立並成功實施瞭針對硫酯酶底物選擇性的半理性設計策略,揭示瞭‘TesA硫酯酶loop運動重塑催化口袋的新機制,為其他硫酯酶的分子改造提供瞭重要指導,有望進一步促進微生物細胞工廠的中鏈脂肪酸合成能力。

  該研究項目獲得科技部(2017YFE0103300)和國傢自然科學基金(31570788,31670791及21627812)的資助。