亚铁和α-酮戊二酸依赖的乙烯合成酶催化机制和分子改造研究
批准号:
32071446
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
黄维雪
依托单位:
学科分类:
共性生物技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄维雪
中文摘要
植物和与植物共生的微生物可以合成乙烯。微生物利用可再生的生物质废料或二氧化碳为碳源合成乙烯,可减轻对化石能源的依赖。丁香假单胞杆菌中的乙烯合成酶(EFE)是极有开发潜力的靶点,因为单个efe基因的表达就可以完成乙烯的合成。在氧气和亚铁结合状态下,EFE催化α-酮戊二酸氧化脱羧生成乙烯,但同时催化L-精氨酸的羟化,对L-精氨酸的依赖和消耗限制了生物乙烯的产量并提高了成本。虽然已有EFE晶体结构的报道,但对于α-酮戊二酸和L-精氨酸是如何结合EFE的分子机制仍不清楚。本项目拟综合应用蛋白质晶体学、生物化学和谱学分析的手段揭示EFE催化双反应的内在分子机制。我们将解析无氧条件下EFE结合底物的复合物晶体结构,阐释EFE结构和功能关系。在结构信息的指导下,结合理性设计和定向进化,制备和筛选出高乙烯的转化能力和低精氨酸羟化活性的突变体酶,推动乙烯生物合成的工业化应用。
英文摘要
Ethylene is produced naturally by plants and some microbes that live with plants. Bio-ethylene could supplement or replace fossil fuels-derived way in chemical industry, using renewable sources of carbon such as waste biomass (plant matter) and CO2. Ethylene-forming enzyme (EFE) is a promising biothechnology target because expression of a single efe gene is sufficient for ethylene production. EFE converts α-ketoglutarate into ethylene by the oxidative decarboxylation of α-ketoglutarate, however, it also catalyzes the C5 hydroxylation of L-arginine (L-Arg) which limits the yield and raises the cost of L-Arg dependent ethylene production. Although several crystal structures of EFE have been published, the molecular mechanism of how α-ketoglutarate and L-Arg binds to enzyme is still not clear. We aim to elucidate the catalytic mechanism by x-ray crystallography,biochemistry and Mössbauer spectroscopy. We plan to determine the crystal structures of EFE in complex with α-ketoglutarate, L-Arg, or both under anerobic conditions. Based on the structure information, the combinatorial active-site saturation test and iterative saturation mutagenesis will be applied to EFE engineering for obtaining engineered EFE with higher α-ketoglutarate conversion efficiency and lower L-Arg oxidation activity.
乙烯合成酶(EFE)是亚铁-酮戊二酸(α-KG)依赖性单核非血红素铁酶家族成员。EFE催化独特的双反应,催化α-KG裂解生成乙烯和二氧化碳,同时催化L-精氨酸(L-arg)羟化生成P5C和胍基。乙烯的生成是EFE所特有的催化反应。EFE催化乙烯形成的过程机制新颖,但由于缺乏对EFE结构和功能关系的深入理解,严重限制了生物乙烯合成技术的发展。揭示EFE是如何行使它的双重转化功能,获得结合亚铁的EFE活性中心的真实结构是关键,但亚铁的不稳定性使其研究具有挑战性。.本项目建立了高效的亚铁结合EFE蛋白的表达和纯化系统,以及底物和产物的检测方法。进一步解析了亚铁结合EFE多套高分辨率复合物的晶体结构,包括底物α-KG不同结合构象的结构,以及EFE与中间产物琥珀酸和草酸的结构。基于结构分析,阐释了亚铁结合的酶活性中心的真实配位和结构特征,揭示了α-KG的多模式结合可能是催化双反应的内在分子机制,以及α-KG单齿配位亚铁,裂解生成乙烯的反应过程。在结构信息的指导下,结合长程调控机制,开展EFE的理性设计和定向进化,制备和筛选出乙烯转化能力更高的多个EFE突变体。.乙烯作为重要的化工原料,提高乙烯合成酶的乙烯生成活性,对于发展高效低耗的生物合成乙烯方法具有重大意义;基于催化机制和远程调节策略结合的突变体设计,也为进一步改造乙烯合成酶提供了线索,推动乙烯生物合成的工业化应用。.
靶向BCR-ABL1的大环PROTAC降解剂的设计、合成及其克服慢性粒细胞白血病耐药的分子机制研究
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批准号:22577147
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2025
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负责人:黄维雪
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依托单位:
靶向人Ⅰ型羰基还原酶的类黄酮抑制剂筛选及作用机制研究
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批准号:31200562
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2012
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负责人:黄维雪
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依托单位:
国内基金
海外基金