二硫键增强热稳定性与拇指区驱动GH11家族嗜热木聚糖酶rMxylcd 活性的结构机制解析

本研究针对工业酶应用中热稳定性与催化效率的优化需求，通过解析嗜热木聚糖酶rMxylcd 的晶体结构（1.5 ?分辨率），揭示其N端与拇指区二硫键对热稳定性的关键作用，并通过突变实验证实拇指区灵活性对活性的调控。研究为工业酶理性设计提供了结构基础，成果发表于《Journal of Structural Biology》。

　　

在生物质转化和工业酶应用中，嗜热酶因其高温环境下的稳定性备受青睐，但如何平衡热稳定性与催化活性仍是科学难题。木聚糖作为半纤维素的主要成分，其高效水解依赖糖苷水解酶11家族（GH11）木聚糖酶，然而现有酶的热稳定性常不足。来自中国的研究团队以堆肥土壤宏基因组来源的嗜热木聚糖酶rMxyl^cd
为研究对象，通过结构生物学与酶工程手段揭示了其独特的热稳定机制。

研究采用X射线晶体学（1.5 ?分辨率）、AlphaFold2模型比对及定点突变等关键技术。样本为经密码子优化后在大肠杆菌中表达的rMxyl催化结构域（34-222位氨基酸）。

晶体结构解析与比较
rMxyl^cd
晶体结构显示其较常温木聚糖酶Xyn II更紧凑。B因子分析发现拇指区异常灵活，暗示其参与催化。与AlphaFold2预测模型相比，晶体结构在功能关键区域（如拇指区）局部精度更高。

二硫键的功能验证
酶含有N端α螺旋和拇指区两对二硫键。突变实验表明：破坏N端二硫键使80°C下半衰期缩短5倍以上，而拇指区二硫键缺失主要影响活性。反向工程中，在N端引入新二硫键可显著提升热稳定性。

拇指区的作用机制
结构动态分析表明，拇指区的高灵活性是维持催化效率的关键，而二硫键通过稳定局部构象平衡了灵活性与稳定性。

该研究首次阐明GH11家族嗜热木聚糖酶中二硫键网络与局部结构动态的协同调控机制，为工业酶的“稳定性-活性”双优化提供了新策略。通过实验结构验证AI预测模型的局限性，强调了晶体学在酶机制研究中的不可替代性。论文由Songna Wu、Nianying Zhang和Qun Wan合作完成，获中国国家自然科学基金资助。