中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所代謝物組學(xué)研究組研究員馮銀剛帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在能源微生物的一對(duì)相互作用蛋白質(zhì)模塊中，發(fā)現(xiàn)一種獨(dú)特的pH依賴(lài)的雙結(jié)合位點(diǎn)切換現(xiàn)象，并闡明其化學(xué)和結(jié)構(gòu)機(jī)制。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Advances上。該研究揭示生物體系復(fù)雜精巧的調(diào)控機(jī)制，并為pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)器件和生物材料開(kāi)發(fā)提供新的素材，在合成生物學(xué)和生物技術(shù)應(yīng)用中具有重要價(jià)值。

pH是幾乎所有在水溶液中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的重要因素，在生命過(guò)程中起重要作用。生物體中有許多pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)功能開(kāi)關(guān)，可調(diào)控細(xì)胞的生理和生化過(guò)程，并可作為生物技術(shù)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵感應(yīng)器件和功能開(kāi)關(guān)。目前已知的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化均是通過(guò)感應(yīng)pH變化實(shí)現(xiàn)“打開(kāi)-關(guān)閉”式的開(kāi)關(guān)切換控制，發(fā)現(xiàn)新型的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)互作方式具有科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。代謝物組學(xué)研究組以一種高效降解木質(zhì)纖維素的多酶復(fù)合體“纖維小體”為對(duì)象開(kāi)展研究，并在研究丙酮丁醇梭菌（一種產(chǎn)溶劑梭菌）的纖維小體時(shí)，發(fā)現(xiàn)全新的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)相互作用變化方式。研究人員通過(guò)核磁共振技術(shù)發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌中的一對(duì)纖維小體組裝模塊——粘連模塊和對(duì)接模塊，在低pH條件下會(huì)選擇性結(jié)合于一個(gè)位點(diǎn)，而在高pH條件下選擇性結(jié)合于另一個(gè)位點(diǎn)，從而形成在不同pH條件下兩個(gè)相互作用位點(diǎn)之間的切換（如圖）。研究人員利用核磁共振、X射線(xiàn)晶體學(xué)、微量熱與分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種生物物理技術(shù)，揭示這兩個(gè)蛋白模塊相互作用在pH依賴(lài)性方面的化學(xué)和結(jié)構(gòu)機(jī)制：對(duì)接模塊上兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的多對(duì)不對(duì)稱(chēng)殘基，以及粘連模塊上結(jié)合位點(diǎn)處的一段富含負(fù)電的柔性區(qū)殘基的pKa漂移共同造成這對(duì)蛋白模塊相互作用的pH依賴(lài)的位點(diǎn)切換現(xiàn)象。這種pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)互作模式不同于其他已知的pH依賴(lài)性蛋白質(zhì)互作方式，揭示生命體中可能存在的復(fù)雜分子作用機(jī)制，并為生物材料開(kāi)發(fā)、蛋白質(zhì)感應(yīng)器件設(shè)計(jì)、合成生物學(xué)元件設(shè)計(jì)等多種生物技術(shù)應(yīng)用提供嶄新的素材和方案。

青島能源所代謝物組學(xué)研究組致力于木質(zhì)纖維素降解利用和生物質(zhì)燃料開(kāi)發(fā)，在高效降解木質(zhì)纖維素的分子機(jī)器“纖維小體”研究中取得多項(xiàng)成果，在高溫厭氧菌的遺傳改造、代謝工程和合成生物學(xué)開(kāi)發(fā)方面，形成獨(dú)具特色的研究方向。該論文報(bào)道的研究成果是代謝物組學(xué)研究組在木質(zhì)纖維素降解利用和“纖維小體”研究中取得的成果。代謝物組學(xué)研究組博士生姚形哲、助理研究員陳超，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究組副研究員王業(yè)飛是論文的共同第一作者；馮銀剛為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院以及以色列科學(xué)基金會(huì)的資助。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eabd7182

pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)相互作用位點(diǎn)切換。A、不同pH條件下通過(guò)核磁共振觀(guān)測(cè)到的不同的相互作用位點(diǎn)。B、兩種結(jié)合方式的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。C、pH依賴(lài)的結(jié)合位點(diǎn)切換機(jī)制的卡通模型。該模型中藍(lán)色為粘連模塊，黃色/綠色為一個(gè)對(duì)接模塊上的兩個(gè)部分對(duì)稱(chēng)的結(jié)合位點(diǎn)。