3月1日，《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王江云課題組、物理研究所李運(yùn)良課題組及福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所莊巍課題組，以A genetically encoded two dimensional infrared probe for enzyme active-site dynamics為題的研究論文。論文報(bào)道了一種新的二維紅外探針間疊氮酪氨酸（N3Y），通過(guò)在鐵依賴性酶DddK的活性位點(diǎn)上的基因摻入，二維紅外監(jiān)測(cè)及分子力學(xué)計(jì)算表明，由于活性中心水運(yùn)動(dòng)受限降低，活性中心鐵氧化生成Fe（Ⅲ）和加入變性試劑均使酶活性顯著降低。

酶通過(guò)從飛秒到秒的各種時(shí)間尺度上運(yùn)動(dòng)進(jìn)而執(zhí)行重要的生物功能，關(guān)于緩慢運(yùn)動(dòng)（即毫秒到秒）如何影響底物結(jié)合和產(chǎn)物釋放的已有許多已知信息，而對(duì)于飛秒（fs）到皮秒（ps）時(shí)間尺度上的快速運(yùn)動(dòng)對(duì)酶活性的影響知之甚少。二維紅外（2D-IR）光譜固有的快速時(shí)間分辨率，特別適合監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)周?chē)乃碗x子fs-ps時(shí)間尺福動(dòng)力學(xué)。近年來(lái)，蛋白質(zhì)位點(diǎn)特異性紅外探針的發(fā)展提高了時(shí)間分辨紅外技術(shù)的空間分辨率，使其成為蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究的重要工具。例如，基因編碼的非天然氨基酸如對(duì)-疊氮基-L-苯丙氨酸和對(duì)-氰基-L-苯丙氨酸，已用于跟蹤局部電場(chǎng)，表征蛋白質(zhì)折疊動(dòng)力學(xué)和蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)相互作用。然而，由于苯丙氨酸側(cè)鏈多埋在蛋白質(zhì)疏水核心內(nèi)，通常不直接參與酶催化，這些基因編碼的苯丙氨酸類似物在探索酶活性位點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用有限。酪氨酸殘基普遍存在于許多酶的活性部位，常作為親核試劑，質(zhì)子供體，能參與氧化還原反應(yīng)，具有形成陽(yáng)離子-π相互作用及與金屬離子配位等功能。酪氨酸殘基在核酸生物合成、DNA修復(fù)、細(xì)胞色素氧化酶的氧還原、PSII的水氧化，以及其他生物過(guò)程中具有關(guān)鍵作用。然而，酪氨酸類似物作為2D-IR探針專門(mén)引入蛋白質(zhì)中尚未有研究。

研究中，科研人員利用基因密碼子擴(kuò)展手段，實(shí)現(xiàn)了一種新的二維紅外探針N3Y的基因編碼，并在一種鐵依賴性酶DddK的活性位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了N3Y的基因摻入。DddK是一種金屬酶，它能將地球上豐富的有機(jī)硫分子二甲基磺酰丙酸（DMSP）轉(zhuǎn)化為二甲基硫化物（DMS，海洋硫循環(huán)中的一個(gè)中心分子，在氣候調(diào)節(jié)中具有重要作用）。通過(guò)2D-IR測(cè)量及分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算研究證明DddK中心鐵原子氧化還原態(tài)的變化對(duì)ps-fs時(shí)的水的動(dòng)力學(xué)有較大影響，表明N3Y是一種對(duì)環(huán)境敏感的二維紅外探針。

中科院院士鄒承魯多年前做了觀察研究，在加入低濃度的蛋白質(zhì)變性劑導(dǎo)致酶活性完全喪失，而蛋白質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)仍能保持完整?；谶@些結(jié)果，提出了酶的柔性活性中心這一重要概念（Tsou，1993，Science），認(rèn)為酶活性中心是高度柔性的結(jié)構(gòu)。在本項(xiàng)研究中，低濃度變性劑的加入也強(qiáng)烈影響DddK活性位點(diǎn)的水動(dòng)力學(xué)，而不引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體變化。在DddK活性部位降低對(duì)水分子運(yùn)動(dòng)的限制與酶活性降低有關(guān)。該研究為低濃度的蛋白質(zhì)變性如何顯著降低酶活性位點(diǎn)對(duì)水的限制提供了新的見(jiàn)解，為低濃度的蛋白質(zhì)變性試劑能夠消除酶活性而不引起整體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變提供了機(jī)理研究基礎(chǔ)。由于酪氨酸殘基在許多關(guān)鍵酶中起重要作用，基因編碼的2D-IR探針N3Y應(yīng)該廣泛適用于研究酪氨酸的多種功能以及ps-fs時(shí)間尺度酶活性位點(diǎn)動(dòng)態(tài)對(duì)酶選擇性和活性的影響，從而促進(jìn)特定的化學(xué)反應(yīng)。

該研究由生物物理研究所，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所、物理所和福建物構(gòu)所合作完成。生物物理研究所核酸生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王江云研究員、劉曉紅，與物理所研究員李運(yùn)良、福建物構(gòu)所研究員莊巍為論文的共同通訊作者，生物物理所博士研究生汪莉、福建物構(gòu)所研究生張佳、物理所研究生張璐，天津工生所助理研究員韓明杰、博士研究生陳超和助理研究員黃愛(ài)萍為論文的共同第一作者。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中科院的支持，并獲得生物物理所蛋白質(zhì)科研平臺(tái)的幫助。

論文鏈接

基因編碼二維紅外探針研究酶活性中心柔性

來(lái)源：中科院