甲胺利用基因调控六电子长程传递生成甲胺脱氢酶辅基的理论研究

MauG, a diheme enzyme in gram negative bacteria, catalyzes the biosynthesis of the protein-derived tryptophan tryptophylquinone (TTQ) cofactor in methylamine dehydrogenase (MADH), which enables these bacteria to live in anaerobic extreme environments. This project mainly investigates the relative issues involving in the long-range six-electron transport during the TTQ biosynthesis processes by the MauG catalysis using quantum mechanics (QM) and hybrid QM/molecular mechanics (QM/MM) multiscale approachs. We will elucidate the cooperative function of every subsection of MauG-preMADH during the long-range electron transfer processes, identify the special intermediates for the multi-electron relay function and explore that the protein micro-surroundings regular the relay functions of the multi-electron intermediates. In addition, we will clarify the order of six-electron three-step reactions for generating TTQ from the 7-hydroxyl Trp57 and Trp108 residues in the precursor of MADH (preMADH) and analyze the relationships between the reaction order and the changes in oxidation states of the diheme. Besides, we will develop the special proton-coupled electron transfer mechanisms for the particular scenarios, explore the possible micro electron transfer pathways and then elucidate the steps of the long-range six-electron transport reactions for MauG-preMADH. The execution of the work not only reveals the mystery of the long-range multi-electron transport in MauG-preMADH from the theoretical point of view, but also provides valuable theoretical guidance for exploring biological information, understanding the micro movements of life and designing more efficient bionic enzymes.

甲胺利用基因（MauG）是一种双c-型血红素酶，存在于革兰氏阴性菌中，其主要功能是催化合成甲胺脱氢酶（MADH）辅基色氨酸色氨酸苯醌（TTQ），使这类菌能在无氧极端环境下生存。本项目围绕着MauG催化生成TTQ过程中所涉及的长程六电子传递的相关问题，运用QM和QM/MM 多尺度理论方法，澄清MauG和MADH前体（preMADH）各部分的协同电子传递功能；识别具有特殊的多电子传递功能中间体，探讨蛋白质微观环境对其电子传递功能的调控；明确7-羟基Trp57和Trp108被六电子氧化生成TTQ的反应顺序，这种顺序与双c-型血红素的价态变化的关系；发展专属的质子耦合电子转移机制；探讨多电子传递的蛋白质微观通道，明确六电子分几步完成长程传递。该工作的开展不仅从理论的角度揭示MauG-preMADH 长程多电子传递的奥秘，还为人类开发生物信息、认识生命微观运动和设计高效仿生氧化酶提供有价值的指导。

甲胺利用基因（MauG）是一种双c-型血红素酶，存在于革兰氏阴性菌中，其主要功能是催化合成甲胺脱氢酶（MADH）辅基色氨酸色氨酸苯醌（TTQ），使这类菌能在无氧极端环境下生存。本项目围绕着MauG催化生成TTQ过程中所涉及的长程六电子传递的相关问题，运用QM和QM/MM 多尺度理论方法，分别澄清了MauG和MADH前体（preMADH）的血红素1、Trp98-His280-Phe264、血红素2、Trp199以及相应蛋白质微观环境的协同电子传递功能；发现了具有特殊的电子传递功能中间体His280Phe264和不同自旋状态的Heme的电子传递功能；考察了4个羧基、两个半胱氨酸侧链和钙离子对血红素电子传递功能的调控作用；明确7-OHTrp57和Trp108被六电子氧化生成TTQ的反应顺序，并且详细研究了各步反应机理，发展了5种特殊的多质子耦合电子转移机制；分析了β7-OHTrp57和βTrp108 被六电子氧化反应生成TTQ的反应顺序及相应的基元反应，考察了各个反应中间体的电离势与双卟啉铁的氧化态变化的关系；结合具体的微观反应机理，发现了多种特殊的质子耦合电子转移机制。已经整理论文11篇，已经发表高水平SCI论文3篇；另外，本项目的开展培养了硕士研究生10人（已毕业5人）、博士研究生2人（已毕业1人），参加国际国内学术会议17人次。