研究人员开发出具有单分子精度的方法来设计酶的粘性

罗格斯大学的科学家开发了一种分析工具包，用于测量单个蛋白质从底物(例如酶)中拉出时的结合力，这将有助于开发新的纳米材料，改善生物燃料的生产和全球碳循环，并确定新的根据一项新的研究，更好的药物靶点。

该研究发表在《美国国家科学院院刊》上，研究了碳水化合物结合模块(CBM)蛋白与其结合底物纤维素之间的分子相互作用。纤维素是一种由重复葡萄糖制成的植物纤维聚合物，除了用作生产生物燃料和生物化学品的可再生原料外，还可用于制造纺织品、玻璃纸、纸板和纸张。

纤维素是地球上最丰富的有机化合物，可被微生物自然分解，因此在全球碳循环中发挥着核心作用。然而，科学家们对细菌等微生物如何通过首先使用碳水化合物结合蛋白和酶锚定或“粘附”到基材表面来分解纤维素的了解仍然有限。

据研究人员称，为了设计更有效的酶和微生物，将纤维素分解成糖用于生产生物燃料，如乙醇、生物柴油、绿色柴油或沼气，有必要更好地了解碳水化合物结合蛋白如何锚定到底物上，从而设计出具有最佳性能的更好的酶。“粘性”可以最大限度地通过微生物分解纤维素。

“蛋白质和酶在固液界面与复杂碳水化合物的结合是与植物生长、病原体宿主细胞感染和生物燃料生产相关的一种根本性重要的生物学现象，”该研究的资深作者兼助理ShishirChundawat说。罗格斯大学化学与生化工程系教授。“但由于缺乏分析工具来观察蛋白质和碳水化合物(如纤维素)之间这些微妙而短暂的分子相互作用，因此这种界面结合过程还不是很清楚。”

该方法描述了研究人员的分析技术，以检查蛋白质如何以分子水平的精度粘附在纤维素表面，从而深入了解微生物酶在纤维素分解过程中所采用的复杂机制。

Chundawat说，罗格斯大学开发的工具包可以测量单个蛋白质-碳水化合物分子的接触和相关力，精度为1万亿分之一牛顿。一牛顿相当于解开锚定在墙壁或表面上的壁虎蜥蜴通常所需的最小力。

研究小组研究了一种CBM蛋白，它使细菌细胞能够像壁虎一样紧紧地锚定在纤维素表面，并改变了使用这种新工具包测量的工程蛋白的表面“粘性”，以增强纤维素分解活性。该工具包的发现与其他实验和模拟一致，这些实验和模拟旨在进一步解释导致CBM蛋白质对纤维素表面粘性的潜在分子规则。

“如果特定的CBM可以以增强酶促功能的特定结构方向粘附碳水化合物，传统方法无法区分一种特定的结合方向与微调表面蛋白质粘性所需的另一种结合方向，”该研究的第一作者MarkusHackl说。该研究领导了该工具包的开发，并且是罗格斯大学化学与生物化学工程系的博士生。“然而，我们的方法可以通过检测和测量单个蛋白质分子与纤维素相互作用的信号来发现蛋白质粘性的细微差异。”

这样的工具包可以帮助科学家研究和微调蛋白质和碳水化合物之间的粘性分子相互作用，最终有助于开发更好的靶向蛋白质药物，以改善医疗保健或用于低成本生物燃料生产的高效工业级酶。

该研究的其他罗格斯大学合著者包括EdwardContrada、JonathanAsh、AtharvKulkarni、Ki-BumLee、JinhoYoon、Hyeon-YeolCho以及来自国家可再生能源实验室(JohnYarbrough)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(CesarLópez)的研究人员和SandrasegaramGnanakaran)。