食油酶的结构为生物工程催化剂打开了大门

能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们已经制造出第一个原子级结构的酶，该酶可以选择性地切断碳氢键——这是将简单的碳氢化合物转化为更有用的化学物质的第一步，也是最具挑战性的一步。正如刚刚发表在《自然结构与分子生物学》(NatureStructural&MolecularBiology)上的一篇论文所述，详细的原子级“蓝图”提出了对酶进行工程改造以生产所需产品的方法。

“我们希望创建一个多样化的生物催化剂池，您可以在其中专门选择所需的底物，从丰富的碳氢化合物中生产所需的独特产品，”该研究的联合负责人、布鲁克海文实验室结构生物学家QunLiu说。“这种方法将为我们提供一种可控的方法，将廉价和丰富的烷烃——占原油20-50%的简单碳氢化合物——转化为更有价值的生物产品或化学前体，包括醇、醛、羧酸盐和环氧化物。”

这个想法特别有吸引力，因为大多数用于烷烃转化的工业催化过程都会产生不需要的副产品和吸热二氧化碳(CO2)气体。它们还包含昂贵的材料并且需要高温和高压。这种称为AlkB的生物酶在更普通的条件下运行，具有非常高的特异性。它使用地球上丰富的廉价铁来引发化学反应，同时几乎不产生不需要的副产品。

“大自然已经想出了如何在环境温度和压力下使用廉价丰富的金属进行这种化学反应，”布鲁克海文实验室生物学系主任、该论文的资深作者约翰尚克林说。“因此，人们对这种酶产生了浓厚的兴趣，但完全缺乏对其结构及其工作原理的了解——这是为新用途重新设计它所必需的。有了这个结构，我们现在已经克服了这个障碍。”

从腐臭的油到甜蜜的成功

AlkB是50年前在一家机械车间被发现的，当时细菌正在消化冷却油，使其闻起来有腐臭味。生物化学家发现细菌酶AlkB是促成微生物异常食欲的因素。从那以后，科学家们一直对利用AlkB的碳氢化合物咀嚼能力很感兴趣。

多年来，研究表明这种酶部分嵌入细菌的细胞膜中，并与其他两种蛋白质协同作用。Shanklin和Liu——以及其他地方的科学家——尝试使用X射线晶体学来解析酶的结构。该方法从蛋白质的结晶版本反射高强度X射线，以确定原子的位置。但是像AlkB这样的膜蛋白是出了名的难以结晶——尤其是当它们是多蛋白复合物的一部分时。

“我们无法获得足够高的分辨率，”刘说。

然后在2021年初，布鲁克海文开设了新的冷冻电子显微镜(cryo-EM)设施，即生物分子结构实验室(LBMS)。科学家们使用不需要结晶样品的冷冻电子显微镜从许多不同角度拍摄了数百万个单独的冷冻蛋白质分子的照片。然后，计算工具对图像进行分类，识别共同特征并对其取平均——最终生成酶复合物的高分辨率三维图。使用这张图，科学家们随后将构成蛋白质复合物的单个氨基酸的已知原子级结构拼凑在一起，以填充三个维度的细节。

确定稳定酶跨膜区域和保持结构细节的正确条件是一项挑战，需要大量的反复试验。Shanklin称赞他实验室的研究人员之一JinChai“对解决这个难题的承诺和决心。”

结构揭示了酶的工作原理

详细的结构准确地显示了AlkB和两种相关蛋白(AlkG)中的一种如何协同工作以切割碳氢键。事实上，解决的结构包含一个意想不到的好处：被困在酶的活性位点空腔中的底物烷烃分子。

“我们的结构展示了构成这种酶的氨基酸是如何形成一个空腔来定位碳氢化合物底物的，这样只有一个特定的碳氢键可以接近活性位点，”刘说。“它还显示了电子如何从载体蛋白(AlkG)移动到酶活性位点的双铁中心，从而使其激活氧分子来攻击这种键。”

尚克林建议将酶想象成圆锯一样的切割机：“相对于酶的双铁中心，你如何控制烷烃决定了活性氧如何与碳氢化合物相互作用。如果你引导烷烃末端对抗活性氧，它会在最后一个碳上引发一些化学反应。

“我们想要做的工程是改变活性位点腔的形状，这样我们就可以让底物(或不同的底物)以不同的角度和不同的CH键位置接近活性氧，以进行不同的反应。”

科学家指出，在自然界中，不包含在该结构中的第三种蛋白质(AlkT)为载体蛋白AlkG提供电子。然后载体蛋白将电子传输到两个铁原子，这两个铁原子在AlkB的活性位点激活氧。他们建议，用电极代替供电子蛋白来提供电子比使用生物电子供体更简单、成本更低。

能源部刚刚资助了该团队的提议，以部分基于这项初步结构工作，开发这种“用于CH键功能化的变革性生物混合二铁催化剂”。

“这种结构以及我们对AlkG/AlkB复合物如何工作的了解，使我们能够对这种酶进行生物工程，以选择在各种底物中激活哪种碳氢键，并控制电子和氧气以重新设计它的选择性，”刘说。

这项工作得到了能源部科学办公室(BES)和布鲁克海文实验室实验室指导研究与开发基金的支持。LBMS得到能源部科学办公室(BER)的支持。这项研究还使用了布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(CFN)的资源，该中心是能源部科学办公室(BES)的用户设施。