绿藻来源光脱羧酶McFAP的挖掘及其中短链脂肪酸选择性脱羧机制研究

利用脂肪酸脱羧制备烃类生物燃料是开发可再生能源的有效途径.相比于传统化学法,生物酶法具备高效、能耗低及环境友好等优势,更具有工业应用前景.光脱羧酶(FAP)是一类专一性强,催化效率高,催化过程无需额外添加昂贵辅因子,仅需利用蓝光即可将脂肪酸转化为烷(烯)烃的光驱动酶,在烃类生物燃料的高效可持续生物合成领域具有应用潜力.目前已报道的有偏好催化C12-C20链长脂肪酸的光脱羧酶,但其底物选择性机制尚未被深入探究.本文挖掘了来源于绿藻Micractinium conductrix的光脱羧酶Mc FAP,并开展了异源表达及制备、酶学性质表征、催化特性及底物选择性机制等研究.利用全基因合成技术获得了来源于绿藻Micractiniumconductrix假定的光脱羧酶基因序列mcfap,同时构建了N端缺失突变体Mc FAP-S(缺失1-550位氨基酸).在大肠杆菌中实现了Mc FAP-S的异源表达.重组的Mc FAP-S对链长为6-18的饱和直链脂肪酸均有脱羧活性,偏好中链脂肪酸,最适底物为正辛酸(C8:0)(转化率>99%).相同条件下,Mc FAP全细胞催化软脂酸(C16:0)脱羧的转化率是Cv FAP(来源于Chlorella variabilis)的1.7倍.重组的Mc FAP-S催化正辛酸脱羧的最适反应温度为40℃,孵育6 h后残余酶活力为70.2%;最适p H值为8.0,孵育5 d后残余酶活力为65.4%;对甲醇,DMSO等有机溶剂及Ni^(2+),Ca^(2+)等金属离子具有良好的耐受性;4℃避光条件下储存10 d残余酶活力为76.7%.考察了不同波长光对Mc FAP-S酶活力的影响,结果表明,红光照射3 h后Mc FAP-S残余酶活力为97.2%;在可见光照射下Mc FAP-S与正辛酸共孵育3 h后残余酶活力>99%.Mc FAP-S在30°C,p H 9.0,加酶量为60μmolL-1的条件下催化正辛酸脱羧,反应30 min后转化率为95.3%.构建了Mc FAP-S三维结构模型,通过与Cv FAP的三维结构对比分析,推测底物通道口大小对Mc FAP-S底物选择性有重要影响,根据二者对不同链长底物结合位置的区别,设计了突变体S338V,S338L,S338A,L339I,T340A,T340S,Mc FAP-S338A/L339I/T340S及?344-347.结果表明,S338L仅保留催化软脂酸脱羧活力(是野生型的3.7%);L339I对正庚酸(C7:0)脱羧活力相较于野生型降低了15%,对月桂酸(C12:0)脱羧活力增加了28%;T340S对正己酸(C6:0)脱羧活力降低了67%;S338A/L339I/T340S对正己酸脱羧活力降低了78%.以上表明,S338,L339,T340可能是参与该酶底物选择性调控的关键位点.综上所述,相较已报道的Cv FAP催化特性,Mc FAP具有偏好中链脂肪酸和脱羧活性更高等优势,提高光脱羧酶催化中链脂肪酸脱羧生成C5-C12烷烃的效率,同时本研究初步阐明了Mc FAP的底物选择性机制,可为光脱羧酶的研发及应用提供借鉴,为阐明光脱羧酶的结构功能关系研究提供一定的基础.

理性改造光脱羧酶并用于反式脂肪酸选择性脱羧反应

立足光酶催化合成和酶的理性改造等研究前沿,设计了一例光酶催化的反式脂肪酸高选择性脱羧去除实验。具体地,本实验借助分子对接技术,理性设计脂肪酸光脱羧酶Cv FAP的突变体V453E-Cv FAP,并实验验证该突变体能够选择性地催化反油酸的脱羧反应,从而实现顺式脂肪酸的富集。实验涉及培养细胞、诱导酶表达、提取酶液、设计反应以及产物的定性、定量分析等内容,非常适合在化学生物学实验或综合化学实验课程中开设。