硝基还原酶降解2, 4, 6-三硝基甲苯的反应机制研究

2,4,6-trinitrotoluene (TNT) is an explosive which has dominated the military and civil production industry. Coupled with this massive production and use, accidental and intentional release of TNT in the environment is increasing. In addition to its explosion hazard, TNT causes both ecotoxicological and adverse human health problems. The enzymatic transformation of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) has been one of the most promising treatment means. In this study, combined quantum-mechanical/molecular-mechanical (QM/MM) calculations were performed on the reaction mechanism of pentaerythritol tetranitrate (PETN) reductase. Much information could be obtained, including the binding site of PETN reductase, the detailed mechanism of the reduced-half reaction and the oxidated-half reaction, and the structure of the products. Based on the calculation results, mutation of the key residues will be carried out to simulate the influnce of the mutatants to the reaction. The calculation results in this study can be used to explain the experimental observations and provide valuable information for the improvement of the catalytic efficiency and the construction of new enzymes.

2, 4, 6-三硝基甲苯（TNT）是军事与民用方面使用最广泛的含能材料，但是大量的TNT废弃物会污染环境并危害人类健康，因此对TNT的处理显得尤为重要，其中酶法降解TNT被认为是最有前景的处理手段之一。本项目拟以硝基还原酶（季戊四醇四硝酸酯（PETN）还原酶）降解TNT及其类似物为研究对象，通过量子化学与分子力学相结合的方法（QM/MM）在对其催化机理进行系统地研究，主要包括：考察TNT及其类似物与PETN还原酶的相互作用模式；应用QM/MM方法研究还原半反应和氧化半反应的催化机制，揭示影响酶催化效率和产物结构的关键因素等，在此基础上针对PETN还原酶进行定点突变理论研究，模拟残基突变对氧化半反应中两种不同机理反应路径的调控作用。该项目不仅对于深入阐明硝基还原酶降解TNT的催化机理具有重要意义，还可为调控酶降解TNT反应、提高酶催化效率及基因工程中酶的构建打造坚实的理论基础。

酶法降解TNT及其类似物被认为是最有前景的处理手段之一，具有高度的底物专一性、高效的催化效率和可调节性，常温常压条件下即可完全反应，副产物少，易操作，易应用，易运输等优点。目前关于其催化反应机理的认识仍不清晰，主要靠得到的部分晶体结构和部分不完整的动力学实验数据进行推测。针对硝基还原酶的国内外研究现状，本项目提出以硝基还原酶降解TNT及其类似物为研究对象，通过量子化学与分子力学相结合的方法（QM/MM）在对其催化机理进行系统地研究。项目于2014年8月获批准。. 在项目执行期间，项目组按照研究计划对季戊四醇四硝酸酯还原酶（PETNR）、II型异戊烯基焦磷酸异构酶（IDI-2）、对氧磷酶的催化机制进行了系统研究。通过深入细致的研究，大大加深了对硝基还原酶的反应机理的认识，取得一系列的研究成果，包括：1）揭示TNT与PETN还原酶的作用模式及其动力学性质，明确了辅酶FMN、NADH的关键作用；2）系统地给出了酶催化过程的具体细节，确定了各步基元反应中所涉及的中间体和过渡态的几何结构、电子结构和能量关系；3）明确了决定这些酶催化反应速度的关键步骤和主要影响因素，揭示硝基还原酶降解机理一般性规律。. 通过三年努力，顺利完成了预定的研究目标和任务，相关研究数据为深入硝基还原酶结构与活性关系提供了重要信息，研究结果为进一步的实验研究和应用开发奠定了必要的理论基础。. 项目执行期间，在国内外有较高影响的刊物上发表SCI研究论文2篇（RSC Advance），培养毕业硕士生1人，在读硕士生1人。此外，还邀请国外专家讲学1人次，参加国内学术会议6人次。