2月28日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院李從剛、楊明暉課題組，在ATP合成酶的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究中取得進(jìn)展，首次獲得了具有單結(jié)構(gòu)域的ATP合成酶，解析了酶催化的分子機(jī)制，并將其應(yīng)用于多種底物分子的磷酸化實(shí)驗(yàn)。

ATP是生物體內(nèi)主要的能量來(lái)源，對(duì)于生命活動(dòng)至關(guān)重要。生物體內(nèi)的ATP合成依賴于ATP合酶蛋白質(zhì)機(jī)器以及多結(jié)構(gòu)域的腺苷酸激酶體系，但系統(tǒng)龐大難以規(guī)?；瘧?yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)常用的微生物發(fā)酵法和生物酶催化法存在工藝繁冗、操作復(fù)雜不易控制等缺陷。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單且反應(yīng)條件溫和的高效ATP合成酶，實(shí)現(xiàn)體外和生物系統(tǒng)中ATP的可回收能量供應(yīng)具有重要意義。

海棲熱袍菌組氨酸激酶HK853是具有多種催化功能的蛋白酶，具備良好的熱穩(wěn)定性和底物專(zhuān)一性。研究發(fā)現(xiàn)，HK853的CA結(jié)構(gòu)域具有新的ATP合成功能，可利用ADP高效合成ATP，且催化反應(yīng)溫和可控?？蒲腥藛T在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單結(jié)構(gòu)域ATP合成酶HK853^CA，并運(yùn)用核磁共振等技術(shù)表征了HK853^CA實(shí)現(xiàn)ATP合成催化反應(yīng)的最適條件，如溫度、濃度、pH值及金屬離子結(jié)合能力等。研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合解析了酶催化的分子機(jī)制，即HK853^CA可以同時(shí)結(jié)合兩分子ADP生成ATP和AMP，且反應(yīng)在一定條件下可逆。研究將ATP合成酶HK853^CA應(yīng)用于多種底物（如蛋白質(zhì)、DNA以及小分子等）磷酸化的生物體系，實(shí)現(xiàn)了ADP和ATP能源分子的高效利用。

該研究基于酶催化的分子機(jī)制設(shè)計(jì)了一系列突變以調(diào)節(jié)其催化活性，并發(fā)現(xiàn)了此催化反應(yīng)在組氨酸激酶家族中具有一定的普適性，為后續(xù)的生物酶改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新的研究方向。

相關(guān)研究成果以An ATP "Synthase" Derived from a Single Structural Domain of Bacterial Histidine Kinase為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）的支持。

基于細(xì)菌組氨酸激酶設(shè)計(jì)的單結(jié)構(gòu)域ATP合成酶