配体结合诱导Ni-Fe簇构象变化调控CO脱氢酶-乙酰辅酶A合成酶复合体催化机制

本研究揭示了CO脱氢酶-乙酰辅酶A合成酶(CODH-ACS)复合体中Ni-Fe金属簇的配体结合如何调控酶构象变化的分子机制。通过冷冻电镜捕获6种中间态结构(分辨率1.9-2.5 ?)，研究人员发现甲基化促使ACS亚基形成闭合构象，碳酰化诱导延伸构象，而CoA结合则破坏闭合状态。该研究阐明了古老碳固定途径中金属酶催化的构象调控原理，为设计高效CO2固定系统提供新思路。

　　

在应对气候变化的全球挑战中，模仿自然界最古老的碳固定途径——还原性乙酰辅酶A途径，已成为合成燃料和化学品的重要策略。这一途径的核心引擎是CO脱氢酶-乙酰辅酶A合成酶(CODH-ACS)复合体，它能将两个CO₂分子高效转化为乙酰辅酶A。然而，这个多金属酶复合体如何通过构象变化协调其复杂催化过程，一直是未解之谜。

德国柏林洪堡大学(Humboldt-Universit?t zu Berlin)的Jakob Ruickoldt团队在《Nature Catalysis》发表的研究，通过冷冻电镜技术捕捉到了这一神秘酶复合体的"动态舞蹈"。研究人员针对Carboxydothermus hydrogenoformans来源的CODH-ACS复合体，系统研究了活性位点镍原子配体结合如何影响酶的构象平衡。

研究采用冷冻电镜技术解析不同催化状态下的结构，结合X射线吸收光谱和等温滴定量热法等手段。通过原位生成CO和甲基钴胺素处理，研究人员成功捕获了酶在还原态、甲基化、碳酰化和乙酰化等六种中间状态的高分辨率结构(1.9-2.5 ?)。

ACS在天然分离的CODH-ACS中表现出高度灵活性
研究发现未处理的酶存在三种主要构象："摇摆态"、"半闭合态"和"三角态"。其中摇摆态最为常见，仅能观察到CODH核心和ACS的N端结构域，表明这是溶液中ACS的能量最低状态。冷冻电镜结构显示，这种状态下连接cluster C和cluster A的通道被含有Met151的"门控螺旋"封闭。

还原不诱导构象变化
使用强还原剂Ti(III)-EDTA处理后，酶仍保持摇摆态和半闭合态，且比例与天然状态相似(1:3变为1:2)，表明cluster A的还原本身并不显著改变构象平衡。

cluster A甲基化促进闭合构象
当cluster A被甲基化后，酶构象发生显著改变：摇摆态比例降低，半闭合态成为主导构象，并首次观察到完全闭合状态。约50%的ACS亚基在甲基化条件下呈现闭合构象。通过3D变异性分析，研究人员发现甲基化后的cluster A中近端镍(Ni_p)呈现扭曲的三角配位构型。

碳酰化同时促进闭合和延伸构象
通过Ti(III)-EDTA还原CO₂原位生成CO后，研究人员发现除了摇摆态和半闭合态外，还出现了一种新的"延伸态"。在这种状态下，ACS的中间和C端结构域发生大幅重排，与AlphaFold3预测的ACS-CoFeSP复合体模型高度相似。有趣的是，通道在此构象下可能保持关闭，防止CO泄漏。

乙酰化稳定闭合构象而CoA破坏之
甲基化ACS与CO结合形成乙酰基配体后，大多数分子采取半闭合态，近端镍呈现四面体配位几何。这种非常规的配位方式可能是由于闭合状态下乙酰基与Ile149的空间位阻所致。当加入CoA后，闭合构象比例从70%降至40%，主要转变为更灵活的"松散延伸态"。

这项研究首次完整揭示了CODH-ACS复合体在催化循环中的构象变化规律：甲基化诱导方形平面配位并促进闭合构象；碳酰化同时稳定闭合和延伸构象；乙酰化通过空间位阻维持闭合状态；而CoA结合则破坏这一状态。这些发现不仅阐明了古老碳固定途径的分子机制，更重要的是为设计更高效的CO₂固定系统提供了关键理论依据。研究人员特别指出，通过破坏闭合构象稳定性或制造通道泄漏，可能可以避免CO自抑制，从而提高CO₂在cluster C的转化效率——这一见解对开发基于生物启发的碳负性技术具有重要指导意义。