3月1日，《德國應用化學》發表了中國科學院生物物理研究所王江云課題組、物理研究所李運良課題組及福建物質結構研究所莊巍課題組，以A genetically encoded two dimensional infrared probe for enzyme active-site dynamics為題的研究論文。論文報道了一種新的二維紅外探針間疊氮酪氨酸（N3Y），通過在鐵依賴性酶DddK的活性位點上的基因摻入，二維紅外監測及分子力學計算表明，由于活性中心水運動受限降低，活性中心鐵氧化生成Fe（Ⅲ）和加入變性試劑均使酶活性顯著降低。
酶通過從飛秒到秒的各種時間尺度上運動進而執行重要的生物功能，關于緩慢運動（即毫秒到秒）如何影響底物結合和產物釋放的已有許多已知信息，而對于飛秒（fs）到皮秒（ps）時間尺度上的快速運動對酶活性的影響知之甚少。二維紅外（2D-IR）光譜固有的快速時間分辨率，特別適合監測蛋白質結構周圍的水和離子fs-ps時間尺福動力學。近年來，蛋白質位點特異性紅外探針的發展提高了時間分辨紅外技術的空間分辨率，使其成為蛋白質動力學研究的重要工具。例如，基因編碼的非天然氨基酸如對-疊氮基-L-苯丙氨酸和對-氰基-L-苯丙氨酸，已用于跟蹤局部電場，表征蛋白質折疊動力學和蛋白質/蛋白質相互作用。然而，由于苯丙氨酸側鏈多埋在蛋白質疏水核心內，通常不直接參與酶催化，這些基因編碼的苯丙氨酸類似物在探索酶活性位點動力學方面的應用有限。酪氨酸殘基普遍存在于許多酶的活性部位，常作為親核試劑，質子供體，能參與氧化還原反應，具有形成陽離子-π相互作用及與金屬離子配位等功能。酪氨酸殘基在核酸生物合成、DNA修復、細胞色素氧化酶的氧還原、PSII的水氧化，以及其他生物過程中具有關鍵作用。然而，酪氨酸類似物作為2D-IR探針專門引入蛋白質中尚未有研究。
研究中，科研人員利用基因密碼子擴展手段，實現了一種新的二維紅外探針N3Y的基因編碼，并在一種鐵依賴性酶DddK的活性位點實現了N3Y的基因摻入。DddK是一種金屬酶，它能將地球上豐富的有機硫分子二甲基磺酰丙酸（DMSP）轉化為二甲基硫化物（DMS，海洋硫循環中的一個中心分子，在氣候調節中具有重要作用）。通過2D-IR測量及分子動力學計算研究證明DddK中心鐵原子氧化還原態的變化對ps-fs時的水的動力學有較大影響，表明N3Y是一種對環境敏感的二維紅外探針。
中科院院士鄒承魯多年前做了觀察研究，在加入低濃度的蛋白質變性劑導致酶活性完全喪失，而蛋白質的整體結構仍能保持完整。基于這些結果，提出了酶的柔性活性中心這一重要概念（Tsou，1993，Science），認為酶活性中心是高度柔性的結構。在本項研究中，低濃度變性劑的加入也強烈影響DddK活性位點的水動力學，而不引起蛋白質結構的整體變化。在DddK活性部位降低對水分子運動的限制與酶活性降低有關。該研究為低濃度的蛋白質變性如何顯著降低酶活性位點對水的限制提供了新的見解，為低濃度的蛋白質變性試劑能夠消除酶活性而不引起整體蛋白質結構的改變提供了機理研究基礎。由于酪氨酸殘基在許多關鍵酶中起重要作用，基因編碼的2D-IR探針N3Y應該廣泛適用于研究酪氨酸的多種功能以及ps-fs時間尺度酶活性位點動態對酶選擇性和活性的影響，從而促進特定的化學反應。
該研究由生物物理研究所，天津工業生物技術研究所、物理所和福建物構所合作完成。生物物理研究所核酸生物學重點實驗室研究員王江云研究員、劉曉紅，與物理所研究員李運良、福建物構所研究員莊巍為論文的共同通訊作者，生物物理所博士研究生汪莉、福建物構所研究生張佳、物理所研究生張璐，天津工生所助理研究員韓明杰、博士研究生陳超和助理研究員黃愛萍為論文的共同第一作者。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會和中科院的支持，并獲得生物物理所蛋白質科研平臺的幫助。
基因編碼二維紅外探針研究酶活性中心柔性
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