微生物对一价过渡金属离子选择性识别的分子机制研究

The interaction between protein and metal ions has been intensively studied in the past decades. Understanding on the metal ions' functions in living organisms will provide us with insights on disease mechanisms, improvements on enzyme activities, and the development of bio-remediation technologies. Recently, scientists studied the structures and functions of metal sensing and transporting proteins in microbes and probed the mechanism on the recognition of +1 valence metal ions over +2 valence metal ions. However, it is unclear how proteins can distinguish different +1 valence metal ions (Au, Ag, Cu). Based on our previous studies on gold-selective proteins GolB and GolS, we propose to combine the bioinorganic techniques with structural biology tools and study the mechanism of the selective coinage metal recognition. Our results will provide guidance on the design, biomimicking, and preparation of metal bio-sensors and bio-adsorbents.

蛋白质与金属离子相互作用一直是国际上的研究热点。通过了解金属离子与生命体之间的相互关系，我们可以深入认识各种相关疾病的发生机制、优化金属酶的活性与功能以及开发新型重金属生物环保技术。近年来，科研工作者们通过对一系列微生物来源的金属离子调控蛋白和转运蛋白晶体结构与功能的研究，解释了它们在细胞内选择性识别一价/二价微量元素金属离子的机理。但是，金属蛋白选择性区分一价过渡金属离子的分子机制仍然不清楚。因此，本项目拟将配位化学和结构生物学紧密结合，通过对申请人前期报道的金离子结合蛋白GolS和GolB不同状态下晶体结构的解析，阐明其选择性识别一价过渡金属离子的生物无机化学机理。本项目的研究将为今后在实验室中设计、模仿和制备高效特异的金属离子生物传感器与吸附器提供新的指导。

在项目执行期中，项目负责人研究团队解析了微生物来源金离子结合蛋白在不同状态下的蛋白晶体结构，研究了金离子在蛋白质中的配位环境；并与南京大学物理系曹毅教授合作，用单分子力谱测量了金硫键的强度。实验结果表明金蛋白中金硫键的强度仅为165 +/- 55 pN，比非生物环境中的金硫键的强度（500-1000 pN）小得多。这个出乎意料的结果与蛋白晶体结构中观察到的较长的金硫键是一致的。金离子转运蛋白一方面高效选择性地结合金离子，另一方面具有较弱的金硫键，有效地完成了捕捉和转运金离子的功能。同时，在完成以上计划内研究目标的基础上，项目负责人还发展了基于金属蛋白功能的无机生物杂化催化反应。我们通过在大肠杆菌细胞表面展示金属蛋白，原位合成具有半导体功能的硫化镉（CdS）纳米颗粒，并利用无机多聚硅复合物诱导大肠杆菌聚集形成内部无氧的反应条件，最终实现了在空气中利用生物-无机杂化系统光驱动产氢。通过对金属蛋白结构与功能之间的深入理解，项目负责人研究团队还在生物相容条件下构建了 C–O 键和 C–S 键，合成了一系列具有生物活性的邻苯二酚类化合物和硫亚酰基苯酚类化合物，实现了对金属蛋白酪氨酸脱氢酶和巯基转移酶的仿生模拟。这些研究工作能够使我们在生物相容条件下即可快速构建 C–S 键和 S=N双键。基于这个结果，项目负责人发展了在水相中用于小分子荧光标记的香豆素衍生的荧光探针和原位形成蓝色荧光的磷脂，并且自组装为荧光磷脂膜的方法。该反应在化学生物学中具有极好的应用前景。最近，项目负责人又通过对谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）的模拟，发展了一种温和的、硒催化合成苯酚类化合物的方法。