破解海藻酸盐的酶解

Unraveling the molecular mechanism of polysaccharide lyases for efficient alginate degradation

　　

每年，从海底提取出数千吨褐藻，以获得海藻酸盐等化合物。海藻酸盐是一种由糖组成的聚合物，具有高密度和强度，具有潜在的生物技术应用前景。由巴塞罗那大学领导的一个国际团队已经破译了一种被称为海藻酸解酶（AL）的酶的机制，这种酶能够降解这些海洋生物材料，使它们能够用作药物、添加剂或增稠剂等的载体。这些结果发表在《Nature Communications》杂志上，将有助于开发和设计新的“定制海藻酸盐”，用于特定应用，特别是在食品和生物医学行业。

UB团队由该文章的第一作者José Pablo Rivas-Fernández和ICREA研究教授Carme Rovira组成，他们都来自UB化学系和UB理论与计算化学研究所（IQTCUB），并与丹麦技术大学（DTU）的生物技术专家Casper Wilkens合作。挪威科技大学和北卡罗莱纳州立大学（美国）的专家也参加了会议。尽管海藻酸盐在海洋环境中含量丰富，但由于其在自然状态下组成的不均匀性，特别是在生物医学部门，它们的机会范围受到严重限制——它们可能含有不同比例的甘露醛酸和古鲁醛酸糖的混合物。当AL酶在这种聚合物中特异性地破坏连接甘露醛酸型糖的键时，了解其作用机制将有助于克服这些限制。“这些结果为大规模操纵这些酶和设计具有更好催化性能和更高效率的变体奠定了基础。

研究人员解释说：“通过使用工业技术和生物过程，将有可能优化‘定制海藻酸盐’的生产，使其达到足够的数量，以满足社会的需求。”这组作者说，这些发现还将允许“更好地利用自然资源，并通过使用酶作为生产这些海藻酸盐的关键工具来促进绿色经济”。            

用MareNostrum 5超级计算机进行计算分析

研究的一部分是基于这些酶的作用机制的计算分析，以DTU合作者获得的AL酶与不同海藻酸盐变体相互作用的三维结构为起点。基于这种结构，并利用巴塞罗那超级计算中心-国家中心Supercomputación （BSC-CNS）的MareNostrum 5超级计算机的资源，UB团队进行了分子动力学模拟，使用多尺度量子力学和分子力学技术来模拟并获得海藻酸盐降解过程中发生的化学反应在原子水平上的详细描述。

这些模拟修正了之前关于反应发生的阶段数的科学差异，证实了反应发生在单一阶段，聚合物在中心而不是一端断裂。他们还澄清了过渡态（反应中能量最高的构型）作为高负电荷的性质。研究人员解释说：“这一发现表明，我们可能能够通过酶活性中心某些氨基酸的突变来控制聚合物的分解。”该研究的另一个重要因素是，分析的酶属于裂解酶家族7，这是迄今为止已知的最丰富的酶，这使得可以将描述的机制推断为具有高生物技术潜力的其他酶。这些发现还有助于识别关键残基或氨基酸，这些残基或氨基酸可以作为提高这些酶效率的目标，这是一个非常有前途的研究方向，UB团队已经在进行这项研究。此外，这些结果提高了对藻酸盐在降解过程中的化学演化的理解，这是设计能够识别和分离藻酸盐裂解酶的探针的基本要素，这些探针尚未被描述。从这个意义上说，UB的研究人员目前正在设计一种探针，可以有效地识别碳水化合物中活性的新酶。这项研究是碳中心的一部分，该项目由欧洲研究委员会（ERC）的协同拨款资助。这些资助是欧洲最负盛名的，并授予共同努力解决重大科学挑战的研究团队。