基于迭代饱和突变技术的Bacillus subtilis LipA手性识别机制研究

脂肪酶是一种应用广泛的手性催化剂，在对映选择性催化方面表现出很好的控制能力，但分子手性识别和作用机制的研究较为有限。迭代饱和突变是基于酶结构对理性选择的位点进行多轮循环迭代的饱和突变，是一种新兴的半理性蛋白质设计策略。本项目以枯草芽孢脂肪酶(BSLA)催化转酯拆分手性仲醇(1-苯乙醇)为目标反应，以计算机辅助的迭代饱和突变为手段，通过分子模拟建立酶的可视化模型，结合序列分析和结构信息比对，拟定与选择性有关的氨基酸位点，在计算机虚拟环境下对各位点进行饱和突变，构建突变库，筛选理想突变体，作为次轮其它位点饱和突变的模板，依次循环迭代，在这一过程中阐释氨基酸位点和手性催化功能关系；并根据定点突变实验结果修正分子模拟参数，揭示酶与手性分子对接的识别机制，最终获得高对映选择性的进化酶。本研究为BSLA的半理性设计和手性催化功能强化提供理论依据和新思路，也为手性催化剂的分子改造提供快速、高效的方法。

脂肪酶是一种应用广泛的手性催化剂，在对映选择性催化方面表现出很好的控制能力，但分子手性识别和作用机制的研究较为有限。首先通过分子模拟研究了枯草杆菌脂肪酶A(Lip-A)及其突变体Lip-AN18I对底物立体选择性反转的分子机制。通过引入立体电子效应的构象约束条件发现，Lip-A与R-IPG丁酸酯的四面体中间态底物(THI)能够形成扭曲式反应构象(30.4°)，而与S-IPG丁酸酯(-8.2°)底物不能形成反应构象；相反，突变体Lip-AN18I易于与S-IPG丁酸酯(29.5°)形成反应构象，难于与R-IPG丁酸酯形成(-174.1°)。这模拟一结果，与之前的原始文献报道的实验结果相一致。同样运用立体电子效应理论，研究了洋葱假单胞菌脂肪酶(BCL)不对称酯水解制备光学纯的N-(2-甲基-6-乙基苯基)丙氨酸(NEMPA)的分子机理。基于能量最优、空间互补原则，预测了Val266和Leu287为调控BCL对映体选择性的关键氨基酸位点，为定点突变提高脂肪酶的对映体选择性提供了普适性理论指导。进而，通过比较不同微生物来源的脂肪酶催化转酯化仲醇的反应，发现BSLA的底物特异性及催化性质较之其他脂肪酶不具优势，并且，BSLA的对映体选择性受反应条件的影响，对1-苯乙醇的转酯化拆分效果较差。进一步通过功能性离子液体化学修饰修饰催化转酯化拆分1-苯乙醇反应较佳的PPL，运用分子动力学模拟手段分析了不同链长的咪唑类离子液体对PPL修适度和修饰位点的影响，对修饰的具体位点进行了预测，为指导离子液体修饰剂的设计和脂肪酶催化性能的理性改造提供了新的方法。由于脂肪酶的对映体选择性和热稳定性难能两全，因而后续研究进而转向通过计算机辅助手段考察与BSLA热稳定性相关的氨基酸位点。综合分子对接和分子动力学模拟技术，分别基于脯氨酸效应和B因子理论先后建立了两种提高酶热稳定性的计算机模拟方法，并利用定点突变和饱和突变等分子生物学实验验证了模拟结果。本研究为BSLA 的半理性设计和催化功能（对映体选择性和热稳定性）强化提供理论依据和新思路，也为生物催化剂的分子改造提供快速、高效的方法。项目执行期间共发表论文26篇，其中SCI论文13篇，申请国家发明专利16项，其中授权国家发明专利4项，获得省部级奖励1项，市级奖励2项。