近日，我校生物工程学院聂尧教授团队在Fe(II)/α-酮戊二酸依赖性双加氧酶（Fe(II)/α-ketoglutarate-dependent dioxygenases, αKGDs）小分子通道工程研究方面取得重要进展。研究成果以“Computation-Guided Tunnel Engineering Enhances O2 Transport and H2O2 Resistance of Fe(II)/α-Ketoglutarate-Dependent Dioxygenases”为题发表于Advanced Science (IF = 14.1) (https://doi.org/10.1002/advs.76328)。
αKGDs是一类具有重要合成价值的氧化酶，能够在温和条件下实现多种复杂氧化反应，为非天然氨基酸、医药中间体和高值化合物的绿色合成提供了重要酶催化工具。然而，αKGDs的高效催化同时依赖αKG供给和O2参与。前者是形成活性铁氧中间体的关键共底物，后者则直接参与底物氧化。相比已被广泛关注的αKG供给问题，O2在酶分子内部的传输效率长期缺乏系统研究。另一方面，αKG再生体系常伴随产生H2O2，进而严重抑制αKGDs活性，限制了该类酶在多酶级联和工业生物制造中的应用。
针对这一问题，本研究以异亮氨酸双加氧酶（isoleucine dioxygenase, IDO）为模型，结合分子动力学模拟、人工智能结构建模和蛋白质结构组学分析，系统解析了O2和H2O2在酶分子内部的传输路径。研究发现，O2和H2O2虽然具有相似的小分子通道网络，但二者在进入活性中心时表现出不同的通道偏好。基于这一发现，团队进一步围绕关键通道残基开展理性设计和迭代突变，获得了多个性能显著提升的工程突变体。其中，优势突变体M1对五种不同脂肪族氨基酸底物的催化活性最高提升27.2倍；突变体M2在对异亮氨酸催化活性和H2O2胁迫条件下表现突出，抗氧化残余活性提升7.1倍。结合稳态动力学分析、蛋白结晶和增强采样模拟等手段解析分子机制，结果表明这些突变能够促进O2更高效地进入催化中心，同时降低H2O2对活性中心的接近和失活作用，从而实现“增强有益小分子输入、限制抑制性小分子进入”的精准通道调控。
该研究提出了以O2和H2O2小分子传输通道为靶点的αKGDs工程策略，实现了催化效率与氧化稳定性的协同提升。该成果为氧气依赖型酶的性能优化提供了新的思路，也为αKGDs面向高值化合物合成的酶分子改造与催化体系构建提供了新的理论基础和技术支撑。
我校聂尧教授和鲁东大学王馨叶老师为论文共同通讯作者，21级博士生刘欢和伍伦杰博士（已毕业）为论文共同第一作者。上述研究得到国家自然科学基金（22178147、22378168、22508142、22307037）等项目联合资助。近年来，聂尧教授团队围绕氧化还原酶的蛋白质工程及生物催化方面方面开展系统研究，相关成果发表在Advanced Science（2026）、ACS Catalysis（2022，2023，2024，2026）、Biotechnology Advances（2022，2023，2025，2026）、Bioresource Technology（2026）等本领域重要期刊。
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