近期，我校生物工程学院周哲敏教授团队在基于底物通道门控氨基酸改造拓宽腈水合酶底物谱方面取得重要进展，研究成果“Insight into the broadened substrate scope of nitrile hydratase by static and dynamic structure analysis”正式发表于Chemical Science (IF=9.97)(Jul 6;13(28):8417-8428, 2022 doi: 10.1039/d2sc02319a)。
大体积酰胺类化合物可用于制备结构多样的药理活性分子，如具有抗过敏功能的己酰胺衍生物、具有抗结核功能的吡嗪酰胺衍生物、具有广谱杀菌杀虫功能的肉桂酰胺衍生物及具有抗肿瘤活性的萘甲酰胺衍生物等。腈水合酶(NHase)能够催化腈类化合物水合生成相应的酰胺，且反应过程绿色，原子经济性高，无反应副产物生成。NHase在丙烯酰胺和烟酰胺的工业生产上已被广泛应用，但由于NHase的底物谱较窄，目前所能合成的酰胺类化合物种类有限，该酶在高值酰胺合成领域的应用受到限制。针对这一问题，研究人员通过菌种筛选、基因挖掘等方法，获取了一些能够合成多种酰胺类化合物的NHase。但是，目前获取的天然NHase大多偏好催化小体积腈类底物，对于大体积腈类底物的催化活性普遍较低。
针对这一现象，研究者选取初始酶活较高的NHase为出发酶，通过底物通道计算、分子动力学模拟等手段，初步明确NHase底物通道构成氨基酸，定位构成底物通道入口的氨基酸残基。在此基础上，研究者对所选的热点氨基酸进行了饱和突变，从突变体库中筛选获得了两个优势突变体M46R和A129R，所得突变体对于大体积腈类底物的催化性能大幅提升。最后，通过静态和动态结构解析了底物谱拓宽的分子机制，并验证了两个门控氨基酸残基位点在不同来源的NHase上具有一定的普适性。以上研究成果不仅对于其他酶的设计和改造提供了指导和借鉴意义，而且为进一步拓展NHase的工业化应用打下了坚实基础。
基于底物通道门控氨基酸改造拓宽腈水合酶底物谱
论文第一通讯单位为江南大学，生物工程学院18级博士生马东、副研究员程中一和波兰托伦哥白尼大学的Lukasz Peplowski为该论文的共同第一作者，饶义剑教授和周哲敏教授为该论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（32101014, 21878125, 32001064）、江苏省自然科学基金（BK20200624, BK20210470）、国家重点研发计划（2021YFC2100102-03）等项目资助。
