大腸桿菌雙功能蛋白結構測定
日期：2010-07-15 16:47:02
在2000年，加拿大發生了一起嚴重的水污染事故，造成7人死亡，2300人生病，雖然之后監管部門加強了監督，但是仍然會出現類似的情況，除了制定更嚴格的法規外，科學家們也希望能找出避免同樣悲劇再次發生的技術方法，采用環保的生物學手段獲得更干凈的飲用水。
近期來自加拿大皇后大學（Queens University）生物化學系、北京師范大學的研究人員在這方面獲得了突破，他們測定了大腸桿菌雙功能蛋白：異檸檬酸脫氫酶（ICDH）磷酸激酶/磷酸酶（AceK）及其與底物復合物的晶體結構，從而了解到大腸桿菌和沙門氏菌這類的細菌如何能在低營養環境，比如水環境中生存的調控機制，這一最新成果也許能用于獲得更安全的飲用水，以及更便宜的生物發酵制品。
這項研究不僅在學術上發現了在同一蛋白的同一活性中心上行使相反功能的新機制——正常而言這兩種相對活性應該需要兩個不同的“活性位點”，而且可以應用到實際生活方面，可謂說是“一箭雙雕”的新成果。研究成果公布在頂級專業期刊《自然》（Nature）上。
為了更深入了解這一研究成果，記者聯系了文章的兩位作者：加拿大結構生物學首席科學家 （Canada Research Chair in Structural Biology）、加拿大皇后大學及北京師范大學賈宗超教授，以及北京師范大學鄭積敏博士，就讀者感興趣的一些問題請教了他們。
據介紹，很早之前，科學家們就已經知道一些微生物能夠在低營養的環境中生存一段時間，這是因為這些微生物的生理代謝中存在著一種特有機制，能夠從利用葡萄糖作為碳源營養素切換到利用醋酸鹽作為碳源營養素。這是由一個叫AceK的雙功能酶所調控的。這里雙功能酶的意思是指一個蛋白酶同時具有兩個功能，并且是相反的功能。即它可以磷酸化和脫磷酸化同一個蛋白質底物。但是這個雙功能酶是怎樣被調控的機制一直都不是很清楚。
賈宗超教授和鄭積敏博士在之前微生物的磷酸化調控研究方面的基礎上，通過蛋白質晶體結構解析獲得了AceK蛋白本身，以及與底物形成的復合物的晶體結構，并通過蛋白質晶體學衍射數據計算分析，得到了相關的三維模型，從而了解到大腸桿菌和沙門氏菌這類的細菌如何能在低營養環境，比如水環境中生存的調控機制。
之前曾有其他國外的研究組作過類似的研究，但都沒有成功，因此這一課題可以說是頗具挑戰性的，首先研究人員需要獲得AceK蛋白本身，以及與底物形成的復合物的晶體結構，“但是酶和其底物是很難穩定的結合在一起形成復合物的，因此怎樣才能拿到酶和底物復合物的晶體是我們研究中最重要的技術點”，鄭博士表示。
研究人員通過基因表達，蛋白質純化，結晶，和晶體結構解析等實驗步驟，最終拿到了這個復合物的晶體，并通過蛋白質晶體學衍射數據計算，即在原子水平上測定蛋白質中各個原子的空間分布及它們相互作用獲得了相關的三維模型，利用這個模型，他們分析出可能的化學反應機制。
原來實際上AceK蛋白只有一個活性中心，而一個活性中心行使兩個不同生物功能，同時又不能影響與底物的結合，這不是簡單的開啟和關閉所能解釋的。研究人員發現開啟和關閉引發了活性中心的構像的變化，因而引發活性中心中不同的氨基酸殘基參與反應。而具體的機制還需要進一步研究。
這項成果有利于減少水中的細菌污染（比如大腸桿菌），還可以幫助獲得更便宜的生物發酵試劑和藥物（比如胰島素），在環保方面也具有積極意義。這項成果也為以后的研究打開了一道門，科學家們能通過設計出可以調控AceK開關的藥物，從而讓細菌在水中無法生存，因此我們的飲用水能變得更加干凈。
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