酶催化需要在最适pH条件下才能高效进行，改变酶的pH适应性一直是一项艰巨的任务。近日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室李志敏教授课题组在酶促pH适应性工程方向取得新进展。Chemical Engineering Journal以“Endogenous microenvironmental engineering through targeted alteration of salt bridge network can effectively regulate enzymatic pH adaptation”为题对相关成果进行了报道。

为了研究上述问题，作者选择了PfkB家族，主要包括核苷激酶、糖激酶、磷酸果糖激酶等，每类酶只能严格催化对应底物的磷酸化反应。一个有趣的现象是很难找到最适pH值低于6.0的磷酸果糖激酶，而许多核苷激酶在pH 4.0时表现出最高活性。通过数据库挖掘，找到一个古菌来源的核苷激酶也可以磷酸化糖类/糖磷酸类底物，并且催化不同底物反应的最适pH差异巨大，呈现pH混乱性。经计算吉布斯自由能，研究团队发现对所有类型的底物，实际上环境越碱性反应越有利。为了排除pH混乱性是受不同底物理化性质影响，作者重新设计了一个磷酸果糖激酶的构象动力学，其可用底物改变而最适pH没有任何变化。

后续，研究团队利用祖先序列重建，推断并复活了PfkB家族的6个祖先酶。体外催化实验表明，祖先酶也具有pH混乱性。在序列比对具有不同遗传关系的PfkB家族成员时，发现了一段未被标注的氨基酸短序列，该序列在不同属来源酶之间差异很大，但在同一属中保守。结合结构和功能分析，猜测该区域很可能包含影响pH的残基。后续实验证实，在该区域理性设计突变即可显著改变酶的pH适应性甚至最适pH值。作者分析这是由于活性中心附近的盐桥网络改变所引起的，据此提出了一种有针对性的内源性微环境工程策略，通过靶向改变盐桥网络来改变酶的pH适应性。该工作首次从进化角度考虑酶的最适pH值的影响因素，为酶促pH适应性工程提供了有趣的新见解。

上述论文第一作者为华东理工大学生物工程学院在读博士生李宗霖，通讯作者为李志敏教授。成果得到了国家自然科学基金（32171478），国家重点研发计划(2019YFA0904300)，天津市合成生物技术创新能力提升项目(TSBICIP-KJGG-009)和我校张江树优博培育计划资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136215