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天津工业生物所郭瑞庭研究组在ChemBioEng Reviews期

  工业化带来了现代文明,极大丰富了我们的物质生活,但同时工业化也造成环境污染,危害生态圈及人类健康,使人类付出惨痛的代价。因此开展基于酶和代谢工程等技术的绿色生物工艺,将是新一代工业技术未来重要的发展方向。

  天津工业生物所郭瑞庭研究组在ChemBioEng Reviews期刊上先后发表了三篇关于酶晶体结构解析及其催化机理,包括植酸酶和木聚糖酶,以及晶体解析方法学研究的综述文章。

  植酸酶是目前酶制剂市场上最重要的产品之一,几乎添加在所有单胃动物的饲料当中。根据不同的结构特征和催化机理,植酸酶可分为四类,第一类为组氨酸型磷酸酶,又称酸性植酸酶,该家族中来源于大肠杆菌的植酸酶特性优异,为应用最广的产品;第二类为β-螺旋桨植酸酶,在中性至碱性环境中活力最佳,具备水产养殖应用所需的特性;第三类为半胱氨酸植酸酶;第四类为紫色酸性磷酸酶超家族。

  郭瑞庭研究组在前三类植酸酶晶体结构的研究均做出了贡献。2004年,参与解析了第一个半胱氨酸植酸酶的晶体结构及其与底物植酸类似物(IHS)的复合体结构(Structure, 2004)。2011年,解析了来源于枯草芽孢杆菌的β-螺旋桨植酸酶(碱性植酸酶)和IHS的复合体结构,阐述了碱性植酸酶的底物结合方式和催化机理(JMB, 2011,封面)。2014年,报道以结构为基础进行的理性设计,成功提高了来源于大肠杆菌的酸性植酸酶的耐热性,亦解析了耐热性突变体的晶体结构以说明耐热机理(Journal of biotechnology, 2014)。郭瑞庭研究组基于本团队在植酸酶领域的积累,整合本研究组和国际上植酸酶近年来相关研究的进展,在2015年ChemBioEng Reviews的酶学特刊上发表综述,获选为封面文章,并作为ChemBioEng Reviews2015年全年的封面。

  纤维素和半纤维素主要存在于植物细胞壁中,为地球上最丰富的可再生资源。近年来各国竞相开发生物质能源作为替代能源,而寻找性质突出的纤维素酶及半纤维素酶为重大关键技术之一。除用于开发生物质能源之外,这些酶也被广泛的应用在食品加工、动物饲料、废水处理、纺织、造纸等各个领域,具有重要的经济价值。郭瑞庭研究组通过解析纤维素酶及半纤维素酶的晶体结构,解释了该领域的许多关键问题,阐明了催化反应机理,并开展了基于结构的酶工程改造,侧重于提高工业应用中最重要的酶活力以及耐热性,此外,亦致力于新型纤维素酶及半纤维素酶的蛋白质结构的解析。在此基础之上,郭瑞庭研究组将本团队和国际上针对木聚糖酶近年来的相关研究进行整理,发表了木聚糖酶晶体结构、耐热、高活性改造的综述文章。

  在蛋白质晶体结构解析中,最困难的部份仍是在相位角的解析上。目前主要以硒代甲硫氨酸(Se-Met)的方法来解析相位角,郭瑞庭研究组十多年来发展出利用汞(Hg)等重金属快速解析相位角的方法,可以解决因Se-Met蛋白表达量少,晶体生长困难,非大肠杆菌表达蛋白无法使用Se-Met等问题。在此篇综述中,详细介绍了本研究组十多年来利用此方法解析相位角的过程及方法。

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