基于结构生物信息学指导的GH12家族糖苷水解酶的理性设计

随着我国经济的快速发展，资源与能源问题日益突出，纤维素酶效率仍然偏低，限制了生物质资源的综合利用，寻找并设计适合工业生物技术的高效纤维素酶制剂是推动生物炼制的必由之路。低分子量的GH12家族糖苷水解酶在纤维素酶系降解天然纤维素的过程中发挥重要作用，所以本课题拟以环境基因组学的方法调研GH12糖苷水解酶的序列多样性，利用结构生物信息学方法构建序列之间的演化关系，分析定位催化活性架构中功能区的残基及其组合；利用已克隆模板，对功能区残基及其组合进行有目的理性设计；制备天然均一底物，利用动态光谱技术、微量热技术等跟踪新酶分子的反应动力学过程；建立酶反应的理论计算体系，在原子水平上分析GH12家族纤维素酶分子催化过程的过渡态及其分子动态行为，阐明其催化机理，可为纤维素酶分子设计改造、提高催化效率提供依据，从而促进燃料乙醇新技术革新与工业转化进程。

随着我国经济的快速发展，资源与环境问题日益突出，纤维素酶效率仍然偏低，限制了生物质资源的综合利用与开发，寻找并设计适合工业生物技术的高效纤维素酶制剂是推动生物质高值化利用的必由之路。广泛分布于自然界中的低分子量GH12家族糖苷水解酶在纤维素酶系降解天然纤维素的过程中发挥重要作用。本课题以环境基因组学的方法调研GH12糖苷水解酶的序列多样性，分析了GH12家族酶组分在丝状真菌酶系表达调控中的重要作用。本课题建立了荧光辅助糖电泳技术，并利用其发现TrCel12A酶组具有专一性降解模式及特异性产物谱。利用结构生物信息学方法构建GH12的活性中心序列谱，分析定位活性架构中不同亚位点的残基及其组合；利用TrCel12A模板，对活性架构中-2及-4亚位点的关键残基及其组合进行有目的理性改造；发现-2位点芳香族氨基酸结合力的改变，可以改变内切纤维素酶的结合模式，而-4位亚点芳香族氨基酸结合力的增加，可以明显提高内切纤维素酶的催化效率。通过量化计算分析等，在原子水平上分析GH12家族纤维素酶分子催化过程的分子动态行为，阐明了相关催化机理，为其它糖苷水解酶分子的理性设计、催化效率提升、酶系的复配提供了理论基础，从而促进糖苷水解酶的工业推广应用。