江正兵团队揭示细菌漆酶的碱性稳定性机制并应用于印染废水生物降解
作者：生命科学学院发布时间：2022年11月11日 17:01
近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室江正兵团队在国际环境科学领域权威期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF=14.224，一区TOP期刊）上发表了题为“Deciphering the alkaline stable mechanism of bacterial laccase from Bacillus pumilus by molecular dynamics simulation can improve the decolorization of textile dyes”的学术论文，成功揭示细菌漆酶的碱性稳定性机制并应用于印染废水生物降解。江正兵团队长期致力于分子酶工程及基于生物催化的生物质综合利用，2022年度发表SCI论文8篇，其中1区论文4篇，相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省重点研发计划及多家企业横向项目资助。
图1 文章首页
木质素降解酶因其独特的非特异性氧化还原催化机制，是环境微生物具备解聚木质素大分子能力的关键。漆酶作为典型的木质素降解酶之一，不仅在生物质降解中发挥作用，并且广泛应用于异生物质降解、生物催化、生物传感器及生物漂白等工业领域。课题组前期应用漆酶对生物质进行预处理，实现了对纤维素的水解增效。针对印染废水、制革废水的强碱性对漆酶生物修复性能的抑制，本研究旨在通过明晰环境因素对漆酶蛋白构效关系影响的分子机制，改善碱性废水的污染物去除效率。基于前期工作得到具有碱耐受性的短小芽孢杆菌漆酶，论文发现，碱性环境下漆酶蛋白盐桥数的增加以及表面静电势呈负电荷有利于该细菌漆酶维持碱耐受性。随后利用分子动力学模拟分析pH 5和pH 10环境下漆酶蛋白构象的差异。鉴定出5个在不同pH下波动较大的氨基酸残基，其中Pro359与Thr414之间的距离在pH值为10.0时较为稳定，进一步构成细菌漆酶碱耐受性的成因之一。通过DSSP、PCA、FEL等分析发现，漆酶在碱性环境下倾向形成更多的刚性α-螺旋和β-折叠，而酸性环境下则形成较多的无规则卷曲，表明更多刚性构象的形成有利于漆酶在碱性环境下维持蛋白的稳定。对于T1活性中心附近的α-螺旋进行定点突变，破坏该刚性结构，突变后的漆酶蛋白催化活性得到提高，而碱耐受性并未受影响。突变型漆酶在碱性环境下对不同合成染料的降解效率较野生型漆酶大幅提高（图2）。
图2 基于分子动力学解析短小芽孢杆菌漆酶的碱耐受机制
该论文第一作者刘家书博士于2020年10月进入课题组进行博士后科研工作，在站期间以第一作者或通讯作者发表SCI论文6篇，其中1区TOP期刊3篇，获国家自然科学基金委青年基金项目1项。