纤维素酶的持续性催化机理理论研究

As the renewable or zero-carbon discharge new energy resourse, the biomass-based bio-ethanol or bio-diesel has abstracted more and more attention. However, most of current theoretical researches focused on the catalytic domains of cellulases, which could bind polysaccharide and hydrolyze it. It has also been recognized that cellulase might catalyze the hydrolysis of cellulose via a so-called processive mechanism without releasing those non-reducing part to bulky environment.Such mehcanism has few researches so far due to lack of crystall structure of full cellulases. A full cellulase consists of three parts, catalytic domain (CD), carbohydrate binding module (CBM) and a linker region. Clearly, it is of particularly important to utilize those biomass-based energy, if we can correctly understand the catalytic mechanism of a full cellulase. In this project, we will try to construct a reasonable cellulose microfibril structure and full cellulase, then we will investigate the complex structure of cellulase and cellulose using the large-scale molecular dynamics approach esp. the processive binding dynamics, and finally to understand the catalytic mechanism.

基于生物质能的生物乙醇或生物柴油作为可再生和零碳排放的新能源已经获得越来越多的重视，而目前的理论研究大多局限于纤维素的催化活性区域识别和催化纤维素水解的过程，对于普遍存在的纤维素酶的持续性催化机理甚少研究。完整纤维素酶由催化活性区域、糖结合区域以及连接二者的多肽连接区组成，正确理解完整纤维素酶的持续性催化反应机理对于合理利用生物质能源具有非常重要的作用。本项目拟首先建立可靠的纤维素微晶结构以及完整纤维素酶结构，利用大尺度分子动力学模拟计算探讨完整纤维素酶与纤维素相互作用的复合物结构模型，特别是持续性的结合动力学过程，并最终研究其催化反应机理。

基于生物质能的生物乙醇或生物柴油作为可再生和零碳排放的新能源已经获得越来越多的重视，而目前的理论研究大多局限于纤维素的催化活性区域识别和催化纤维素水解的过程，对于普遍存在的纤维素酶的持续性催化机理甚少研究。完整纤维素酶由催化活性区域、糖结合区域以及连接二者的多肽连接区组成，正确理解完整纤维素酶的持续性催化反应机理对于合理利用生物质能源具有非常重要的作用。综合利用混合量子力学和分子力学(QM/MM)方法以及全原子分子动力学模拟方法研究了持续性纤维素水解酶Cel9G识别长链纤维寡糖(DP=18)的机理。我们的研究表明在识别区域的含有芳香环的残基对于稳定底物分子具有关键作用，而那些活性中心的极性残基如D58，E244，R315和D420等也有助于底物的结合。与其它CBM不同，计算表明CBM3c单独不能对纤维素有好的结合能力，这与实验结果一致。此外，我们还采用QM/MM方法研究了一系列重要酶体系如ACE、UGL、LTA4H和NanC等的催化反应机理，我们采用长时间经典动力学模拟和结合自由能的计算来讨论了超分子c-cyclo[6]aramide调控P450的催化能力的机理。本项目执行期间所建立的理论模型和采用的模拟方法可以用于后续研究生物大分子体系的识别过程和相关催化反应机理的研究。