课题基金 / 基金详情

Mycobacterium vanbaalenii PYR-1多环芳烃双加氧酶的结构与催化功能的研究

批准号:
32070094
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
许楹
依托单位:
学科分类:
微生物与环境互作
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
许楹

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
多环芳烃含有两个及以上聚集的苯环,其中16种被列优先污染物。目前已分离到多株多环芳烃降解菌,但仅两环的萘的降解起始双加氧酶的结构与催化功能得到解析与研究。高毒性的三环的蒽和菲、四环的芘和荧蒽(均为优先污染物)等高环多环芳烃降解的关键酶在酶学和结构水平均未验证。特别是高环多环芳烃双加氧酶尚未获得有催化活性的纯酶。本项目拟以多环芳烃模式降解菌Mycobacterium vanbaalenii PYR-1中的高环多环芳烃多组份双加氧酶为研究对象,无氧和有氧条件相结合纯化该酶各组分并获得晶体;以菲、蒽、芘和荧蒽为底物,检测纯酶催化活性、酶动力学参数等;解析酶结构,确认聚合形式、底物通道、活性位点等;通过分子动力学模拟解释底物偏好。在结构和生化水平阐明高环多环芳烃双加氧酶的催化功能及结构与功能的关系。揭示高环多环芳烃双加氧酶的适应性进化机制,为选择性高效降解高环多环芳烃及其污染环境治理提供理论基础。
英文摘要
Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a class of aromatic compounds composed of two or more fused benzene rings. As many as 16 PAHs have been classified as priority pollutants. So far, a number of PAHs utilizers including Mycobacterium vanbaalenii PYR-1 have been isolated. But only the structure and catalytic functions of the initial dioxygenase involved in naphthalene (with two benzene rings) degradation have been resolved. The dioxygenases involved in the initial degradation of more toxic high-molecular-weight PAHs including anthracene, phenanthrene, pyrene and fluoranthene (all are priority pollutants), have not been verified at the enzymatic and structural levels. No purified high-molecular-weight PAHs dioxygenase with catalytic activity has been reported. This project will study the structure and function of a newly defined active high-molecular-weight PAHs dioxygenase system FNidA3B3-PhtAcAd from strain PYR-1, using high-molecular-weight PAHs as substrates, including anthracene, phenanthrene, fluoranthene and pyrene. The different components of the aforementioned dioxygenase will be purified under anaerobic and aerobic conditions, and the core component crystals will be obtained under anaerobic conditions. The crystal structure of the dioxygenase will be resolved at a high resolution. This will help us to analyze the polymerization form, the substrate channel, active sites of this enzyme. Its substrate specificity and preference as well as its kinetic parameters will also be examined by conventional assays and molecular dynamics simulation. Eventually, the catalytic function and the crystal structure of this high-molecular-weight PAHs dioxygenase will be elucidated at the molecular, biochemical and structural levels. This study will not only provide us a better understanding of the adaptive evolutionary mechanisms of high-molecular-weight PAHs dioxygenases, but also create a theoretical basis for the further development of the treatment of PAHs polluted environments via synthetic biology.
本项目主要研究了来自Mycobacterium vanbaalenii PYR-1中的偏好高环多环芳烃的环羟化双加氧酶FNidA3B3。其中内源性电子传递链PhtAcAd相较于常用的外源性电子传递链PhdCD,与FNidA3B3更为适配,能将活力提高将近六倍。通过厌氧纯化得到了稳定的FNidA3B3纯酶,并利用高浓度的FNidA3B3,PhtAd和PhtAc,构建了酶活检测系统。纯化的FNidA3B3-PhtAcAd 具有对芘,萤蒽,蒽,菲这四种底物的催化活性并成功检测到对应的产物。对于四环的萤蒽和芘,分别只有2,3-二氢二醇萤蒽和4,5-二氢二醇芘生成。但对于三环的底物菲和蒽,反应都有多个产物生成。应用初始的氧气消耗速率表征酶催化底物的反应速率:萤蒽(31μmol·L-1·min-1)>芘(28.3μmol·L-1·min-1)>菲,蒽(19.9μmol·L-1·min-1)。对于芘和蒽,酶反应的初始速率并不慢,但随着反应的继续,反应速率剧烈下降,并快速停止。获得了FNidA3B3分辨率为2.0Å的晶体结构:FNidA3B3的三个alpha亚基首尾相连,三个beta亚基在底部起结构支撑的作用,蛋白整体呈蘑菇状。但FNidA3B3的活性中心大小仅为373平方Å,远小于先前预测的725平方Å;母体蛋白的活性中心大小与萘双加氧酶NarAa的类似,而FNidA3B3的底物通道却比NarAa大得多。这说明目前的母体蛋白处在一个静息态,当FNidA3B3与底物结合时,结构会有一个明显的变化,即FNidA3B3在整个催化反应循环中会有明显的变构效应。分子对接显示,FNidA3与四环底物的结合能低于三环底物的,说明FNidA3与四环底物的结合更为紧密。活性中心残基和底物之间的作用力主要为pi-pi堆积和范德华作用力。同其他底物不同的是,萤蒽在活性中心中受力更为均匀,其中312号位苯丙氨酸能和萤蒽中的第三个苯环形成共轭堆积,从而固定住底物,因而反应只能特异性地在2,3号位进行。FNidA3是典型的来自于革兰氏阳性菌的高环多环芳烃双加氧酶,与M. vanbaalenii PYR-1中另一个负责高环多环芳烃的环羟化双加氧酶NidA起源于不同的双加氧酶祖先。
芽孢杆菌PVC-6B降解聚氯乙烯塑料的机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    许楹
  • 依托单位:
近海微生物驱动的木质素降解及其碳循环机制
  • 批准号:
    91951106
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    78.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    许楹
  • 依托单位:
古菌Haloferax sp. strain D1227 通过龙胆酸分解代谢3-苯丙酸的分子机理研究
  • 批准号:
    31570100
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    许楹
  • 依托单位:
恶臭假单胞菌NCIMB9869降解芳烃污染物3,5-二甲基苯酚的代谢途径研究
  • 批准号:
    31370094
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    许楹
  • 依托单位:
国内基金
海外基金