王江云研究组在金属酶设计方面获得新进展

 　很多在生物体中发挥重要功能的蛋白都是金属酶。通过使用有限的几种金属离子和含金属的辅酶，金属酶可以在温和的条件下实现很高的活性。通过理性设计在模型蛋白中实现金属酶的功能，可以揭示金属酶高活性的结构和机理，并且促进低成本、高效催化剂的设计。然而，目前理性设计产生的金属酶活性较低，无法达到天然酶的水平，成为金属酶设计领域的一大挑战。

　　血红素-铜氧化酶是一类在呼吸链末端高效催化氧气还原为水的反应的金属酶。这类酶比现有的贵金属催化剂更有效。在前期成功设计基于肌红蛋白的氧化酶的基础上，王江云研究组（https://english.ibp.cas.cn/ibp_pi/W/201312/t20131212_114365.html）与美国伊利诺伊大学香槟分校Yi Lu课题组合作，将理性设计的氧化酶的酶活提高到了天然酶的水平。该研究引入NADH-细胞色素b5还原酶，细胞色素b5作为肌红蛋白的电子供体。并通过在基于肌红蛋白的氧化酶中引入三个将带负电的氨基酸换为带正电的赖氨酸的突变，将肌红蛋白和细胞色素b5之间的电子传递速率提高了400倍。通过构建NADH-细胞色素b5还原酶--细胞色素b5--基于肌红蛋白的氧化酶的电子传递通路，基于肌红蛋白的氧化酶的酶活从0.3s-1提高到了52 s-1，达到了天然的血红素-铜氧化酶的酶活（50 s-1）。

　　这一研究进一步揭示了电子传递在氧化酶反应中的重要作用，为其它金属酶的设计提供了新的思路和方法，使得将人工设计的酶应用于生物技术领域，如生物燃料电池中的酶电极成为可能。

　　该研究于2015年 8月28日发表在Journal of the American Chemical Society，标题为“A Designed metalloenzyme Achieving the Catalytic Rate of a Native Enzyme”，并得到科技部国家重点基础研究973计划和国家自然科学基金委员会的资助。

 

　　　　　　

　　图、细胞色素cbb3氧化酶（A）和经设计的氧化酶（B）的电子传递路线。