重金属调控蛋白MerR家族结构和功能的应用研究

The CadR, PbrR and MerR are belongs to MerR family proteins which could recognize and binding heavy metal ion with high selectivity and sensitivity. Based on the protein structure and function of MerR family protein, we can use these family proteins to setup a model system to enrich the contaminated heavy metal and detoxify them from polluted water and soil system by molecular biology, protein engineering and chemical biology. The project will successfully help people to develop advanced bioinorganic chemistry research with closely integrated theory and practice. It will not only lay a firm theoretical foundation in bioinorganic study but also provides a reliable model and a positive wide range of practical application prospect, and also provides practical solutions for major livelihood.

MerR 蛋白质家族成员具有高选择性识别和高灵敏性结合各种不同重金属离子的特性。本研究项目以该家族成员CadR、PbrR 和MerR蛋白质为研究对象，在蛋白质晶体结构的基础上，利用分子生物学、蛋白质工程和化学生物学等方法构建相应的模型体系，充分发挥MerR家族成员的功能，以期从污染水体和污染土壤中重新富集回收这些重金属离子，从根本上达到净化环境的目的。这一项目的顺利推进和实施，有助于拓展功能蛋白质化学研究领域，将理论与实践紧密结合起来，不仅可以奠定坚实的理论基础和依据，提供可靠的实验模型，而且具有积极广泛的实际应用前景，为解决重金属引起水质和土壤的污染这一重大民生问题提供有效和切实可行的解决方案。

由于多种人为和自然因素，很多重金属如镉、汞和铅造成了环境污染，严重影响人类的身体健康和生活环境，而人们尚缺乏对重金属污染切实有效的解决途径。申请人基于前期对重金属稳态调控MerR家族蛋白的研究基础，提出利用特异性重金属调控蛋白质对镉、汞和铅的高选择性和高亲和性优点，从基础研究入手，构建合适的重金属离子富集模型，拟为最终修复重金属造成的污染提供切实可行的解决方案。.课题组首先对重金属镉离子调控蛋白CadR结构和功能关系进行了较为系统性的研究。加上前期对汞离子调控蛋白MerR和铅离子结合蛋白PbrR在晶体结构上的研究基础，成功将其进行了功能化小肽的改构和制备。并将功能化的小肽偶联至高分子水凝胶NIPAM上，制备出的新型生物复合材料不仅具备NIPAM的热敏响应性能，同时也具备高选择高灵敏的重金属离子结合活性，在常温附近就可以达到循环富集自然水资源中纳摩尔级别痕迹重金属离子的能力。鉴于这一材料学上的突破，课题组将该高分子材料成功应用于从海水中富集重金属铀酰基离子的系统。.课题组前期曾建立了大肠杆菌的重金属富集模型，然而这一生物修复模型不易在自然界达到实际的治理效果，因此申请人拟将该系统拓展至自养型的蓝藻模型上。课题组首先建立了蓝藻培养的条件以及基因KnockIN方法，并成功地将MerR、PbrR和CadR基因导入到蓝藻（集胞藻PCC6803）中，然而三种蛋白质原有启动子在蓝藻中表达效率低下，不能达到富集重金属离子的目的。课题组改变策略，通过对不同启动子的筛选，最终筛选出蓝藻中合适的高表达启动子P560，为后续重金属离子富集体系的建立奠定了基础。.MerR蛋白质利用平面三角形的配位构型高效地识别金属汞离子，而铀酰基离子的主要配位方式是垂直于铀酰基的平面配位结构。因此本申请项目的另一个挑战就是尝试对MerR蛋白质进行设计和改构，使其具备专一性识别铀酰基的蛋白质的能力。通过两轮共21种突变体的筛选，课题组成功获得改构的MerRU蛋白（MerR TC10 C82D A85G C117D C126D L128G，KD约0.76 nM）。