生物质能源技术中酶的理化耐受性与蛋白质结构关系的研究

蛋白质工程 (酶工程)已成为生物技术的重要手段，应用在生物质能源、生物化工、环保、农业和生物制药等领域，产生着巨大的经济效益和社会效益。广西科学院作为"国家非粮生物质能源工程技术研究中心"的依托单位，承担着国家重大项目，研究利用木薯、甘蔗渣和糖蜜等原料生产生物燃料的技术。用氨基酸定点突变法改造野生酶，以提高酶的生物活性和理化耐受性，是研究的重点和难点。淀粉酶和纤维素酶的最佳工作温度和酸度条件决定了生物质能源生产的经济效益。研究酶的理化耐受性与蛋白质结构的关系是酶工程研究的重要的和全新的课题。计划在我们已有的"基于氨基酸理化性质的肽与蛋白预测法"(AABPP)和"理化人工神经网络法"(Phys-Chem ANN)的基础上，结合核磁共振测定酶的pKa值（酸电离常数）实验，利用广西科学院已有的大量实验数据，建立酶的理化耐受性与蛋白质结构间关系的理论模型，用以指导纤维素酶和淀粉酶的酶工程改造实验。

目标是“建立一个定量或半定量的理论模型，解释和预测酶的活性中心的关键氨基酸残基的pKa 值与微环境内的物理和化学条件的关系，以及氨基酸组成的突变如何影响关键氨基酸残基的pKa 值，尝试指导酶工程改造实验。”这一目标已如期达到，所列的5项研究内容都已完成，并根据需要增加了部分研究内容。按5项内容总结如下。.（1）在已有的酶工程改造实验数据和文献数据的基础上，确定与pKa 值有关的酶活性中心范围。.在20种天然氨基酸内选定了5种可电离氨基酸，包括三种酸性氨基酸（天冬氨酸Asp、谷氨酸Glu、组氨酸His）和两种碱性氨基酸（精氨酸Arg、赖氨酸Lys），收集了大量的实验数据和文献数据，建立了数据库（文献1的表3），作为研究依据。.（2）在酶的活性中心区域探讨各种可能的影响关键氨基酸残基的pKa 值的物理的和化学的因素。.从理论化学的角度研究了影响氨基酸质子化和去质子化的物理和化学因素，发现影响氨基酸pKa值的因素除已知的氢键和静电作用外，阳离子–π键和极性氢–π键有重要作用，对组氨酸的pKa值有强烈影响，可反转组氨酸的质子化和去质子化状态（文献10和11）。.（3）通过分子动力学模拟和量子化学计算，量化这些影响因素。.用高档量子化学方法系统计算了影响pKa值的两种因素阳离子–π键和极性氢–π键的作用曲线，建立了经验计算公式，优化了参数（文献10和11），大大简化了计算。.（4）在定量计算的基础上，建立预测和解释氨基酸残基的pKa值的理论模型。.在理论研究的基础上，建立了预测蛋白质结构中氨基酸pKa值的方法Pred-pKa（文献1）。这一方法发表在2010年，在其后的两年内得到不断改进和完善。.（5）测定酶的关键氨基酸残基的pKa 值，验证和改进预测模型。.氨基酸的pKa值的理论成果和预测方法被用于多项研究中，一个成功的例子是分析植物气孔的保卫细胞的慢阴离子通道蛋白AtSLAC1的传导和浓缩二氧化的机制。研究发现组氨酸His332的pKa=3.50，在很大的范围内变化，既是质子的给体、又是受体，在二氧化的传导和浓缩机制里起关键作用（文献8）。研究成果还应用于两位博士生的α-淀粉酶 和 β-淀粉酶的最适pH值的分子改造实验中，取得良好效果。.根据需要增加了两项研究内容“蛋白质家族进化序列和结构位点的相关性研究”和“蛋白质无规则回路（loops）的肽链