酶通过从飞秒到秒的各种时间尺度上运动进而发挥执行重要的生物功能，尽管关于缓慢运动（即毫秒到秒）如何影响底物结合和产物释放的已有许多已知信息。然而对于飞秒（fs）到皮秒（ps）时间尺度上的快速运动对酶活性的影响仍知之甚少。二维红外（2D-IR）光谱固有的快速时间分辨率，特别适合监测蛋白质结构周围的水和离子fs-ps时间尺福动力学。事实上，近年来蛋白质位点特异性红外探针的发展极大地提高了时间分辨红外技术的空间分辨率，使其成为蛋白质动力学研究的一个重要工具。例如，基因编码的非天然氨基酸，如对-叠氮基-L-苯丙氨酸和对-氰基-L-苯丙氨酸，已被用于跟踪局部电场，表征蛋白质折叠动力学和蛋白质/蛋白质相互作用。然而，由于苯丙氨酸侧链大多埋在蛋白质疏水核心内，通常不直接参与酶催化，这些基因编码的苯丙氨酸类似物在探索酶活性位点动力学方面的应用有限。酪氨酸残基普遍存在于许多酶的活性部位，常常作为亲核试剂，质子供体，能参与氧化还原反应，具有形成阳离子-π相互作用及与金属离子配位等功能。因此，酪氨酸残基在核酸生物合成、DNA修复、细胞色素氧化酶的氧还原、PSII的水氧化以及许多其他生物过程中起着关键作用。然而，还没有酪氨酸类似物作为2D-IR探针专门引入蛋白质中进行研究。
在本项工作中，利用基因密码子扩展手段，实现了一种新的二维红外探针N3Y的基因编码，并在一种铁依赖性酶DddK的活性位点实现了N3Y的基因掺入。DddK是一种金属酶，它能将地球上最丰富的有机硫分子二甲基磺酰丙酸（DMSP）转化为二甲基硫化物（DMS，海洋硫循环中的一个中心分子，在气候调节中很重要）。通过2D-IR测量及分子动力学计算研究证明DddK中心铁原子氧化还原态的变化对ps-fs时的水的动力学有很大影响，表明N3Y是一种对环境敏感的二维红外探针。
中科院生物物理研究所邹承鲁院士早在近30年前就做出了重要的观察，在加入低浓度的蛋白质变性剂导致酶活性完全丧失，但蛋白质的整体结构仍能保持完整。基于这些结果提出了酶的柔性活性中心这一重要概念（Tsou，1993，Science），认为酶活性中心是高度柔性的结构。在本项研究中，低浓度变性剂的加入也强烈影响DddK活性位点的水动力学，而不引起蛋白质结构的整体变化。在DddK活性部位降低对水分子运动的限制与酶活性降低有关。我们的结果为低浓度的蛋白质变性如何显著降低酶活性位点对水的限制提供了新的见解，为低浓度的蛋白质变性试剂能够消除酶活性而不引起整体蛋白质结构的改变提供了机理研究基础。由于酪氨酸残基在许多关键酶中起着重要作用，基因编码的2D-IR探针N3Y应该广泛适用于研究酪氨酸的多种功能以及ps-fs时间尺度酶活性位点动态对酶选择性和活性的影响，从而促进特定的化学反应。
该工作由中国科学院生物物理研究所，天津工生所、物理所和福建物构所合作完成。生物物理研究所核酸生物学重点实验室王江云研究员、刘晓红研究员和物理所李运良、福建物构所庄巍为本文的共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所研究生汪莉，福建物构所张佳，物理所张璐，天津工生所韩明杰，陈超和黄爱萍为本文共同第一作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委和中科院的经费支持。感谢生物物理所蛋白质科研平台提供的帮助。
基因编码二维红外探针研究酶活性中心柔性
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016880
（供稿：王江云研究组）
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