酶催化需要在最适pH条件下才能高效进行，改变酶的pH适应性一直是一项艰巨的任务。近日，我校生物反应器工程国家重点实验室李志敏教授课题组在酶促pH适应性工程方向取得新进展。Chemical Engineering Journal以“Endogenous microenvironmental engineering through targeted alteration of salt bridge network can effectively regulate enzymatic pH adaptation”为题对相关成果进行了报道。
为了研究上述问题，作者选择了PfkB家族，主要包括核苷激酶、糖激酶、磷酸果糖激酶等，每类酶只能严格催化对应底物的磷酸化反应。一个有趣的现象是很难找到最适pH值低于6.0的磷酸果糖激酶，而许多核苷激酶在pH 4.0时表现出最高活性。通过数据库挖掘，找到一个古菌来源的核苷激酶也可以磷酸化糖类/糖磷酸类底物，并且催化不同底物反应的最适pH差异巨大，呈现pH混乱性。经计算吉布斯自由能，研究团队发现对所有类型的底物，实际上环境越碱性反应越有利。为了排除pH混乱性是受不同底物理化性质影响，作者重新设计了一个磷酸果糖激酶的构象动力学，其可用底物改变而最适pH没有任何变化。
后续，研究团队利用祖先序列重建，推断并复活了PfkB家族的6个祖先酶。体外催化实验表明，祖先酶也具有pH混乱性。在序列比对具有不同遗传关系的PfkB家族成员时，发现了一段未被标注的氨基酸短序列，该序列在不同属来源酶之间差异很大，但在同一属中保守。结合结构和功能分析，猜测该区域很可能包含影响pH的残基。后续实验证实，在该区域理性设计突变即可显著改变酶的pH适应性甚至最适pH值。作者分析这是由于活性中心附近的盐桥网络改变所引起的，据此提出了一种有针对性的内源性微环境工程策略，通过靶向改变盐桥网络来改变酶的pH适应性。该工作首次从进化角度考虑酶的最适pH值的影响因素，为酶促pH适应性工程提供了有趣的新见解。
上述论文第一作者为我校生物工程学院在读博士生李宗霖，通讯作者为李志敏教授。成果得到了国家自然科学基金（32171478），国家重点研发计划(2019YFA0904300)，天津市合成生物技术创新能力提升项目(TSBICIP-KJGG-009)和我校张江树优博培育计划资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136215
