近日，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所微生物與酶工程科技創新團隊成功改造了植酸酶的熱穩定性，實現植酸酶耐受溫度高達100 °C。該研究擴展了可用于工業應用的植酸酶庫，揭示了酶結構和耐熱性之間的復雜關系，為酶修飾相關研究奠定了理論基礎。相關研究進展發表在《生物化學雜志（Journal of Biological Chemistry）》期刊。
提高酶的穩定性對于擴大生物技術的應用范圍和提高其適應能力至關重要。開發能夠耐受高達100 ℃的高溫酶的不僅有助于推進酶工程技術，而且拓寬了其在不同領域的潛在應用。為了進一步說明這一概念，研究團隊選擇了全球市場價值高達5.9億美元的植酸酶作為驗證。通過深入分析晶體結構并實施引入二硫鍵、進行能量計算和B因子分析等策略，成功地實現了植酸酶的熱穩定性理性設計。
Y. intermedia 植酸酶APPA因其理想的酶學性質在飼料工業中顯示出巨大的應用潛力，但是它在熱穩定性方面不符合制粒過程中瞬時高溫處理的技術要求。研究團隊最初采用定向進化的方法來提高植酸酶APPA的特性，從隨機突變文庫中篩選出一個四點突變體APPAmut4，表現出與APPA相當的特性，且表達量有所增加。考慮到異源蛋白的高水平生產在基礎研究和工業應用中的重要性和相關性，因此APPAmut4是通過利用基于結構基礎的計算方法來提高其熱穩定性的理想候選者。團隊首先對APPAmut4進行了晶體結構解析，以確定其與野生型相比的差異結構基礎。基于APPAmut4（PDB ID:8XM1）的結構基礎，采用三種理性設計策略來研究其增強熱穩定性的分子設計。首先，團隊進行了將二硫鍵引入APPAmut4的精確工程設計。其次，通過對APPAmut4突變體的展開自由能分析構建虛擬變體庫。第三，通過對APPAmut4晶體結構中的B因子確定突變熱點。最后，通過這三種策略獲得的所有陽性突變變體都被順序納入，以鑒定具有優異熱穩定性的突變體。
1.jpg
基于APPAmut4結構基礎的計算設計示意圖
通過迭代組合突變，成功獲得了一種突變體APPAmut9，它在保持酶活性的同時具有增強的熱穩定性。在95℃下處理5分鐘后，它顯示出約80%的剩余活性，即使在100 ℃的沸水條件下暴露相同的時間，也能保持約70%的活性。APPAmut9顯示出在酶工程研究領域很少觀察到的超高熱彈性。
2.jpg
APPAmut4熱穩定性增強的示意圖
酶的熱穩定性在評估工業酶制劑的實用性方面至關重要，因為它能加速反應過程，并通過其高穩定性來降低生產成本。然而，大多數天然酶在高溫下容易變性，這凸顯了提高酶穩定性以保持其功能的必要性。涂濤研究員通過創新的工程方法，深入探索了酶結構和功能之間的復雜關系，并運用理性設計策略，帶領研究團隊成功研發出一種能在100 ℃高溫下保持催化效率的超級植酸酶。這一成果突破了植酸酶在畜禽飼料中應用的耐熱性局限，證明了抗沸煮工程植酸酶的可行性，同時也擴大了適用于工業飼料生產的植酸酶種類。
中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所的涂濤研究員和黃火清研究員為該文章的共同通訊作者。研究得到了伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校Isaac Cann教授和南京農業大學成艷芬教授的指導和幫助。該研究還得到了國家自然科學基金委、肉雞體系和中國農業科學院科技創新工程重大科研任務等項目的資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925824024943?via%3Dihub
日期：2025-02-05
提高酶的穩定性對于擴大生物技術的應用范圍和提高其適應能力至關重要。開發能夠耐受高達100 ℃的高溫酶的不僅有助于推進酶工程技術，而且拓寬了其在不同領域的潛在應用。為了進一步說明這一概念，研究團隊選擇了全球市場價值高達5.9億美元的植酸酶作為驗證。通過深入分析晶體結構并實施引入二硫鍵、進行能量計算和B因子分析等策略，成功地實現了植酸酶的熱穩定性理性設計。
Y. intermedia 植酸酶APPA因其理想的酶學性質在飼料工業中顯示出巨大的應用潛力，但是它在熱穩定性方面不符合制粒過程中瞬時高溫處理的技術要求。研究團隊最初采用定向進化的方法來提高植酸酶APPA的特性，從隨機突變文庫中篩選出一個四點突變體APPAmut4，表現出與APPA相當的特性，且表達量有所增加。考慮到異源蛋白的高水平生產在基礎研究和工業應用中的重要性和相關性，因此APPAmut4是通過利用基于結構基礎的計算方法來提高其熱穩定性的理想候選者。團隊首先對APPAmut4進行了晶體結構解析，以確定其與野生型相比的差異結構基礎。基于APPAmut4（PDB ID:8XM1）的結構基礎，采用三種理性設計策略來研究其增強熱穩定性的分子設計。首先，團隊進行了將二硫鍵引入APPAmut4的精確工程設計。其次，通過對APPAmut4突變體的展開自由能分析構建虛擬變體庫。第三，通過對APPAmut4晶體結構中的B因子確定突變熱點。最后，通過這三種策略獲得的所有陽性突變變體都被順序納入，以鑒定具有優異熱穩定性的突變體。
1.jpg
基于APPAmut4結構基礎的計算設計示意圖
通過迭代組合突變，成功獲得了一種突變體APPAmut9，它在保持酶活性的同時具有增強的熱穩定性。在95℃下處理5分鐘后，它顯示出約80%的剩余活性，即使在100 ℃的沸水條件下暴露相同的時間，也能保持約70%的活性。APPAmut9顯示出在酶工程研究領域很少觀察到的超高熱彈性。
2.jpg
APPAmut4熱穩定性增強的示意圖
酶的熱穩定性在評估工業酶制劑的實用性方面至關重要，因為它能加速反應過程，并通過其高穩定性來降低生產成本。然而，大多數天然酶在高溫下容易變性，這凸顯了提高酶穩定性以保持其功能的必要性。涂濤研究員通過創新的工程方法，深入探索了酶結構和功能之間的復雜關系，并運用理性設計策略，帶領研究團隊成功研發出一種能在100 ℃高溫下保持催化效率的超級植酸酶。這一成果突破了植酸酶在畜禽飼料中應用的耐熱性局限，證明了抗沸煮工程植酸酶的可行性，同時也擴大了適用于工業飼料生產的植酸酶種類。
中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所的涂濤研究員和黃火清研究員為該文章的共同通訊作者。研究得到了伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校Isaac Cann教授和南京農業大學成艷芬教授的指導和幫助。該研究還得到了國家自然科學基金委、肉雞體系和中國農業科學院科技創新工程重大科研任務等項目的資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925824024943?via%3Dihub
日期：2025-02-05
