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介尺度模拟
结合分子动力学和定向进化研究——设计离子液体抗性酶
 最后更新:2019-08-30  作者:佚名  浏览:85次

  离子液体(ILs)由于具有稳定性高、化学性质可调等优点,被广泛认为是生物催化的高吸附性溶剂,然而目前在生物催化中存在的一个主要问题是ILs会在一定程度上导致酶活性降低。因此对酶与ILs相互作用的深入理解对于设计提高ILs抗性的酶至关重要。

  近日,德国亚琛工业大学的Mehdi D. Davari等人采用分子动力学模拟方法研究了枯草芽孢杆菌脂肪酶A (BSLA)与四种常用咪唑类离子液体(包含1-甲基-3-丁基咪唑(BMIM+)阳离子与Cl-、Br-、I-、TfO-阴离子)的相互作用,示意图如图1所示。研究结果表明,ILs共溶剂不改变BSLA的整体和局部构象,而且离子液体对酶活性降低的影响主要是由于BMIM+阳离子从BSLA表面分离出必需的水分子的主导表面相互作用所致。

图1. 离子液体对生物酶的影响的示意图

  研究人员首先通过对整体结构主干进行均方根偏差(RMSD)的分析,对ILs结构的稳定性进行了评价。此外,为了更好地了解蛋白质的局域动力学,研究人员确定了蛋白质在收敛后,每个残基的均方根平均波动(RMSF),结果如图2所示。RMSF分析显示,与水相比,特别是在螺旋环过渡区,有ILs存在的BSLA(如图2A)结构的灵活性略高。

图2. 基于RMSF (Å)的BSLA剩余柔性,(A) BSLA在水中和ILs中的三个独立模拟(最后40 ns轨迹)的平均RMSF表明,在某些环路区域(用洋红色标记)灵活性略有增加;(B)最灵活区域的位置用洋红色表示,催化残基S77、D133和H156的柔韧性较差,用绿色表示

  如上所述,计算分析表明在ILs中BSLA结构保持稳定。因此研究人员进一步确定了BSLA的溶剂可及性表面积(SASAs),以研究BSLA与溶剂的接触面积,结果如图3所示。与水相比,离子液体存在时,总溶剂可达表面积增加。同样,疏水和亲水性的SASAs也表现出相似的趋势,特别是疏水接触面积在ILs存在下显著增加。

图3. 从三个独立的模拟轨迹(从最后40 ns)的BSLA在水和ILs中的总、疏水和亲水性SASAs71的平均值,所有的SASAs在ILs中都显著增加

  为了了解离子液体对第一水化层的影响,计算了水和离子的空间分布函数(SDF)。基于SDF分析,研究人员确定了BSLA表面水和ILs的区域和密度,结果如图4所示。与水和ILs中的SDF对比表明,除[BMIM][TfO]外,所有ILs中的水都分布在BSLA表面的相似区域。

图4. SDFs对溶剂(水、离子)在BSLA表面的分布及ILs模拟

  这些关键的研究结果表明,通过修饰酶表面来减少BMIM+固定可能是一个改善BSLA阻力以及最有可能适用于其他脂酶和α/β-水解酶的蛋白质工程新策略。