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大腸桿菌雙功能蛋白結(jié)構(gòu)測(cè)定

日期:2010-07-15 16:47:02

在2000年,加拿大發(fā)生了一起嚴(yán)重的水污染事故,造成7人死亡,2300人生病,雖然之后監(jiān)管部門加強(qiáng)了監(jiān)督,但是仍然會(huì)出現(xiàn)類似的情況,除了制定更嚴(yán)格的法規(guī)外,科學(xué)家們也希望能找出避免同樣悲劇再次發(fā)生的技術(shù)方法,采用環(huán)保的生物學(xué)手段獲得更干凈的飲用水。
 
近期來自加拿大皇后大學(xué)(Queens University)生物化學(xué)系、北京師范大學(xué)的研究人員在這方面獲得了突破,他們測(cè)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(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu),從而了解到大腸桿菌和沙門氏菌這類的細(xì)菌如何能在低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,比如水環(huán)境中生存的調(diào)控機(jī)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(fā)酵制品。
 
這項(xiàng)研究不僅在學(xué)術(shù)上發(fā)現(xiàn)了在同一蛋白的同一活性中心上行使相反功能的新機(jī)制——正常而言這兩種相對(duì)活性應(yīng)該需要兩個(gè)不同的“活性位點(diǎn)”,而且可以應(yīng)用到實(shí)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(jí)專業(yè)期刊《自然》(Nature)上。
 
為了更深入了解這一研究成果,記者聯(lián)系了文章的兩位作者:加拿大結(jié)構(gòu)生物學(xué)首席科學(xué)家 (Canada Research Chair in Structural Biology)、加拿大皇后大學(xué)及北京師范大學(xué)賈宗超教授,以及北京師范大學(xué)鄭積敏博士,就讀者感興趣的一些問題請(qǐng)教了他們。
 
據(jù)介紹,很早之前,科學(xué)家們就已經(jīng)知道一些微生物能夠在低營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中生存一段時(shí)間,這是因?yàn)檫@些微生物的生理代謝中存在著一種特有機(jī)制,能夠從利用葡萄糖作為碳源營(yíng)養(yǎng)素切換到利用醋酸鹽作為碳源營(yíng)養(yǎng)素。這是由一個(gè)叫AceK的雙功能酶所調(diào)控的。這里雙功能酶的意思是指一個(gè)蛋白酶同時(shí)具有兩個(gè)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(gè)蛋白質(zhì)底物。但是這個(gè)雙功能酶是怎樣被調(diào)控的機(jī)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(diào)控研究方面的基礎(chǔ)上,通過蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)解析獲得了AceK蛋白本身,以及與底物形成的復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu),并通過蛋白質(zhì)晶體學(xué)衍射數(shù)據(jù)計(jì)算分析,得到了相關(guān)的三維模型,從而了解到大腸桿菌和沙門氏菌這類的細(xì)菌如何能在低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,比如水環(huán)境中生存的調(diào)控機(jī)制。
 
之前曾有其他國(guó)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(zhàn)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(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu),“但是酶和其底物是很難穩(wěn)定的結(jié)合在一起形成復(fù)合物的,因此怎樣才能拿到酶和底物復(fù)合物的晶體是我們研究中最重要的技術(shù)點(diǎn)”,鄭博士表示。
 
研究人員通過基因表達(dá),蛋白質(zhì)純化,結(jié)晶,和晶體結(jié)構(gòu)解析等實(shí)驗(yàn)步驟,最終拿到了這個(gè)復(fù)合物的晶體,并通過蛋白質(zhì)晶體學(xué)衍射數(shù)據(jù)計(jì)算,即在原子水平上測(cè)定蛋白質(zhì)中各個(gè)原子的空間分布及它們相互作用獲得了相關(guān)的三維模型,利用這個(gè)模型,他們分析出可能的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。
 
原來實(shí)際上AceK蛋白只有一個(gè)活性中心,而一個(gè)活性中心行使兩個(gè)不同生物功能,同時(shí)又不能影響與底物的結(jié)合,這不是簡(jiǎn)單的開啟和關(guān)閉所能解釋的。研究人員發(fā)現(xiàn)開啟和關(guān)閉引發(fā)了活性中心的構(gòu)像的變化,因而引發(fā)活性中心中不同的氨基酸殘基參與反應(yīng)。而具體的機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。
 
這項(xiàng)成果有利于減少水中的細(xì)菌污染(比如大腸桿菌),還可以幫助獲得更便宜的生物發(fā)酵試劑和藥物(比如胰島素),在環(huán)保方面也具有積極意義。這項(xiàng)成果也為以后的研究打開了一道門,科學(xué)家們能通過設(shè)計(jì)出可以調(diào)控AceK開關(guān)的藥物,從而讓細(xì)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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