解码藻酸盐的酶促闭合以实现绿色生物技术

解码藻酸盐的酶促闭合以实现绿色生物技术

每年，从海底提取数千吨褐藻以获得海藻酸盐等化合物，海藻酸盐是一种具有高密度和强度的糖聚合物，可提供潜在的生物技术应用。巴塞罗那大学的一个国际团队破译了一种名为藻酸盐裂解酶 (AL) 的酶能够降解这些海洋生物材料的机制，使它们能够用作药物载体、添加剂或增稠剂等。这些结果发表于自然交流将帮助开发和设计针对特定应用的新型“定制藻酸盐”，特别是在食品和生物医学行业。

布法罗大学团队由本文第一作者 José Pablo Rivas-Fernández 和 ICREA 研究教授 Carme Rovira 创立，他们来自布法罗大学化学系和布法罗大学理论与计算化学研究所 (IQTCub)（Dtukens、生物技术、生物化学）。来自挪威科技大学（NTNU）和美国北卡罗来纳州立大学的专家也参加了会议。

尽管海洋环境中海藻酸盐含量丰富，但它们的潜力，特别是在生物医学领域，却因其自然状态下成分的不均匀性而受到严重限制——它们可能含有不同比例的甘露糖醛糖和古洛糖醛糖的混合物。了解 Al 酶在特异性破坏连接该聚合物中甘露糖醛酸型糖的键时的作用机制有助于克服这些限制。 “这些结果为大规模操纵这些酶和设计具有更好催化性能和更高效率的变体奠定了基础。

通过使用工业技术和生物工艺，将有可能优化足够数量的“定制藻酸盐”的生产，以满足社会的需求，”研究人员解释道。

作者说，这些发现还能够“通过使用酶作为这些藻酸盐生产的关键工具，更好地利用自然资源并增加绿色经济”。

使用 Marenostrum 5 超级计算机进行计算机分析

该研究的一部分基于对这些酶作用机制的计算分析，利用 Al 酶的三维结构与 DTU 合作者获得的不同藻酸盐变体相互作用。基于该结构，并利用巴塞罗那超级计算中心——国家超级计算中心（BSC-CNS）的MareNostrum 5超级计算机的资源，UB团队进行了分子动力学模拟，利用多尺度量子力学和分子力学技术对海藻酸盐降解过程中发生的化学反应进行了建模并获得了原子水平的详细描述。

这些模拟调和了之前关于反应发生阶段数的科学差异，证实反应发生在一个阶段，并且聚合物在中间断裂，而不是在一端断裂。他们还阐明了过渡态（反应过程中的最高能量配置）的性质，即带高负电荷的物质。研究人员解释说：“这一发现表明，我们或许能够通过突变酶活性位点中的某些氨基酸来控制聚合物在什么时候分解。”

该研究的另一个重要因素是，分析的酶属于裂解酶家族 7，这是迄今为止最常见的，允许外推描述其他具有高生物技术潜力的酶的机制。

这些结果还有助于识别重要的残基或氨基酸，旨在提高这些酶的效率，这是布法罗大学团队已经在开展的一项有前景的研究。

此外，这些结果提高了对藻酸盐降解过程中化学演化的理解，这是设计能够识别和分离尚未描述的藻酸盐裂解酶的探针的基本要素。考虑到这一点，布法罗大学的研究人员目前正在致力于设计能够有效识别碳水化合物中新酶的探针。

这项研究是 Carbocentre 项目的一部分，该项目由欧洲研究理事会 (ERC) 的 Synergy 资助资助。这些资助是欧洲最负盛名的资助之一，颁发给共同努力解决重要科学挑战的研究团队。

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