基于自由能图谱的极端温度α-淀粉酶温度适应机理研究

Investigating the temperature adaptation mechanisms of extremophilic enzymes is of primary importance in understanding the environmental adaptation mechanisms of their corresponding extremophiles. Currently, studies focused on temperature adaptation mechanisms of enzymes are mainly based on the comparison between static structures of extremeophilic enzymes to attempt an understanding of the relationship between structural stability/flexibility and catalytic efficiency. However, the results obtained are generally incompetent to explain why the extremophilic enzymes have their optimal catalytic efficiency at extreme temperatures while maintaining their structural stability/flexibility. In this project plan, we will choose differently temperature-adapted homologues in α-amylases family, i.e., the thermophilic, mesophilic and psychrophilic α-amylases as objects of study. Using the combined methods of bioinformatics, biophysics and computational chemistry, the dynamic structural features, molecular motion modes, and free energy landscapes of the homologues with different temperature origins will be investigated and compared at different temperature conditions. Based on the differences in characteristics of the free energy landscapes between them and on the influences of solvent with different temperatures on the conformational states and dynamic features of α-amylases, the temperature adaptation mechanisms of α-amylases will be elucidated. The results will complement the data derived from the X-ray crystallographic and conventional molecular dynamics studies, thus shedding light on the understanding of the universal mechanism of enzymatic temperature adaptability at the physicochemical level.

研究极端温度酶对温度的适应机理是认识极端温度微生物环境适应机制的重要途径。目前，对于极端温度酶温度适应机理的研究主要集中在从静态结构差异的角度研究该类酶在高温和低温下的结构稳定性/柔性与催化效率之间关系，但研究结果尚不能完全解释该类酶如何在极端温度条件下既能保持其结构稳定性/柔性，同时又能保证最佳的催化效率。本项目拟选择同源的嗜热、常温、嗜冷α-淀粉酶为研究对象，使用生物信息学、生物物理学和计算化学相结合的手段，研究、比较三种酶在不同温度下的动态结构特征、分子运动模式以及蛋白质-溶剂系统的自由能图谱。基于高温酶、常温酶和低温酶的自由能图谱特征，结合不同温度条件下水分子对α-淀粉酶构象状态和动力学行为的影响，阐明极端温度α-淀粉酶的温度适应机制。研究结果将弥补静态结构研究和常规动力学研究的不足，有助于在物理化学层面上阐释温度耐受酶适应温度环境的普遍机制。

研究极端温度酶的结构-功能关系，以及阐释其温度适应机理，有必要在静态结构研究的基础上，研究不同极端温度酶的结构动力学行为与结构稳定性/柔性之间关系，以及溶剂对其动力学行为的影响。项目以极端温度α-淀粉酶为研究对象，通过分子动力学模拟、本质动力学分析、元动力学模拟和自由能图谱构建等方法，研究了几类极端温度酶的动态结构特征、分子运动模式以及蛋白质-溶剂系统自由能图谱的特征和差异。项目基于自由能图谱理论，进一步阐释了极端温度α-淀粉酶的温度适应机理。动态结构特征分析比较表明，分子动力学模拟过程中，嗜热α-淀粉酶相对于其常温α-淀粉酶具有更加紧凑的构象状态，嗜热α-淀粉酶表现出更多的分子内相互作用和更低的整体构象柔性，这也解释了嗜热α-淀粉酶在高温环境下具有更高的热稳定性。比较几种极端温度α-淀粉酶的蛋白质-溶剂相互作用和疏水性发现，嗜热α-淀粉酶中的蛋白质-溶剂氢键（HBs）数量相对于其常温酶较少，同时嗜热酶具有更多的非极性包埋区域。研究结果还表明，溶剂（水）通过减少与蛋白质表面的相互作用，以及增强溶剂熵最大化的作用，在嗜热α-淀粉酶对于高温环境的适应中起着关键作用。通过构建和分析极端温度α-淀粉酶的自由能图谱（FEL），发现嗜热α-淀粉酶的自由能图谱具备了相对更窄，粗糙程度更低，具有更深的自由能底部等特点，表明嗜热α-淀粉酶具备了更少的构象熵和更少的构象多样性，以及更高的结构刚性，因此具备了比常温α-淀粉酶更高的结构热稳定性。结合以上的分子动力学模拟结果和自由能图谱理论，项目提出了一个改进的FEL模型，发现溶剂通过蛋白质-溶剂相互作用影响了蛋白质的动力学行为，造成蛋白质-溶剂体系自由能图谱的差异，对极端温度α-淀粉酶的温度适应性发挥了关键作用。项目的研究结果从物理化学层面上进一步解释了极端温度α-淀粉酶的温度适应机理，研究结果还将有助于促进极端温度酶在生物技术相关产业中的应用。