基于元动力学与量子分子动力学的鞘氨醇化腈水解酶结构-功能机制解析与工程改造策略

《Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics》：Unraveling the Structure–Function Relationship and Mechanism of an Important Spiro-Forming Nitrilase Using Metadynamics and Quantum Molecular Dynamics

本研究通过元动力学和量子分子动力学模拟，揭示了鞘氨醇化腈水解酶BsNIT的底物通道机制与催化关键步骤。研究人员发现T1隧道为底物主要进出路径，酪氨酸门控残基与保守活性位点协同调控底物结合，QM模拟明确了Cys164亲核攻击及Glu48质子传递的水解机制，并提出突变Y276/Y278/Y279等残基可增强对庞大腈类污染物的降解效率，为定向改造高效腈水解酶提供理论依据。

　　

来自Bacillus safensis的腈水解酶（BsNIT）是一种具有鞘氨醇形成能力的酶，在苯甲腈和戊二腈等腈类污染物的生物修复中潜力显著。尽管其具有环境与工业价值，其结构-功能关系与催化机制尚不明确。本研究结合元动力学与量子分子动力学模拟，系统阐明了BsNIT与底物的相互作用机制。元动力学模拟发现底物与产物主要通过T1隧道扩散，隧道内的酪氨酸门控残基与保守活性位点共同介导底物定向结合。与酰胺形成型腈水解酶SlNIT的比较揭示，活性位点构象差异导致部分腈水解酶更易形成酰胺产物。量子动力学模拟进一步刻画了催化细节：Cys164发起亲核攻击，Glu48通过水介导的质子跳跃参与水解过程，其中共价底物结合的过渡态能垒为14.8?kcal?mol^?1，是反应的限速步骤。基于模拟结果，研究提出对隧道门控残基（Y276、Y278、Y279）及盐桥残基（R67-D275等）进行突变，可提升BsNIT对庞大腈类污染物的底物特异性与催化效率。该工作为理性设计高效腈水解酶变体、推动生物修复技术发展提供了机制见解。