黄孢原毛平革菌降解木质素过程中木质素过氧化物酶与底物结合模式的机理研究

Lignin, the common recalcitrant biomaterial in agricultural and municipal solid waste, is one of key factors influencing waste composting. Some microorganisms in nature can produce lignin peroxidase (LiP) that is capable of effectively degrading lignin, and Phanerochaete chrysosporium is their typical representative. Previous studies showed binding mode between LiP and lignin affected its lignin-degrading efficiency, but the interaction mechanism between them is still unclear. Here, the present project is planned to use fluorescence spectrum, ultraviolet absorption spectrum, nuclear magnetic resonnance, automatic molecular docking and molecular dynamics simulations to systematacially reveal the binding modes between lignin and LiP from Phanerochaete chrysosporium based on lignin model compounds. The main contents are listed as follows: binding pockets and binding orientations of lignin model compounds in LiP, binding affinity, key amino acid residues, key interaction modes and the dynamic stability of complexes composed of LiP and lignin model compound. This study will provide scientific basis for the increase of organic waste composting efficiency and lignin comprehensive utilization.

木质素是农业、城市固体废物中常见的难降解物质，是影响废物堆肥的关键因素之一。自然界中多种微生物可分泌木质素过氧化物酶（lignin peroxidase，LiP）以降解木质素，黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）是此类微生物的典型代表。已有研究表明LiP与木质素之间的结合模式会影响LiP降解木质素的效率，但具体作用机理尚不清楚。对此，本课题拟采用荧光光谱、紫外吸收光谱、核磁共振、分子对接及分子动力学模拟等技术，以模型化合物作为木质素的近似替代物，从分子水平上探讨P. chrysosporium的LiP与木质素相互作用的机理。主要研究内容包括：不同木质素模型化合物在LiP中的结合位点和取向、结合亲和力、相互作用时发挥关键作用的氨基酸残基、关键相互作用方式及复合物结构的动力学稳定性。本研究可为有机废物堆肥效益的提高和木质素资源化利用提供理论依据。

项目通过选取多种典型的木质素模型化合物为代表，探究了木质素与黄孢原毛平革菌LiP及其它两种木质素降解酶（漆酶、锰过氧化物酶）的结合机理。项目围绕不同木质素模型化合物在P. chrysosporium的LiP中的结合位点和取向、P. chrysosporium的LiP与木质素模型化合物的结合亲和力、P. chrysosporium的LiP中与不同木质素模型化合物发生相互作用的关键氨基酸残基、P. chrysosporium的LiP与木质素模型化合物的关键相互作用方式、P. chrysosporium的LiP与木质素模型化合物的复合物结构的动力学稳定性、LiP的蛋白质链相互作用分析、其它木质素降解酶漆酶、锰过氧化物酶与木质素模型化合物的结合模式等方面，深入探讨它们之间的相互作用机制。研究结果表明木质素降解酶与各种木质素模型化合物之间的结合能是不一样的，显示LiP与其它木质素降解酶在降解木质素的过程中与它不同组分的结合效率是不一致的。它们与不同木质素模型化合物相互作用的关键氨基酸残基也常常并不相同。疏水作用对木质素降解酶与木质素或木质素模型化合物结合是必须的，而氢键、盐桥不是。LiP的结构可能形成二聚体，两条蛋白质链间能够发生相互作用，结合亲和力ΔG为-6.5kcal mol-1，非极性非极性相互作用的数量为34，极性非极性相互作用的数量为18。同时，项目也考察了在纳米材料广泛使用可能导致潜在的生态环境风险的背景下，该结合机理是否会受到碳纳米材料的影响。研究结果显示碳纳米材料对酶与木质素模型化合物或其它有机物附近5 Å区域内的水分子行为，相互作用方式、结合能、酶的碳端氮端构象产生了显著影响，从而显著影响木质素模型化合物及其它有机物的生物降解进程。本项目为合理有效地提高固体废物木质素的生物降解效率，进而实现农业、城市垃圾高效堆肥和木质素废物的资源化利用、预测新型污染物纳米材料对自然界生物降解进程的影响提供强有力的理论依据。