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酶资源挖掘与催化机理研究

发布时间:2019年04月01日 08:53    点击率:

围绕国内外生物催化研究热点,以发掘新型高效的酶催化元件以及揭示其反应机理为目标,综合运用生物信息学、分子生物学和合成生物学理论和方法,发掘和鉴定来源多样的酶催化元件,研究酶催化系统的反应特性及其机理,丰富酶学和合成生物学的资源库,为酶的分子设计与改造提供坚实的理论支撑和有效的方法、技术和手段,以期获得具有优良特性的可以用于工业生物催化的酶或复合物。

(1)酶挖掘与鉴定

以微生物(如:细菌、真菌、古生生物以及非可培养的微生物)、动物和植物为研究对象,通过富集培养驯化技术、宏基因组技术、基因组挖掘技术,获取具有特定功能的新型酶基因或者基因文库;建立高通量或超高通量筛选技术(包括微孔板技术、显色技术、微流控和流式细胞仪筛选技术等),筛选鉴定出新型高效的酶催化元件;研究新型酶催化元件的催化特性,包括其活性、稳定性、催化底物的特异性和选择性等。

(2)酶挖掘新方法

开发快速、高效的酶挖掘新方法,以飞速增长的基因组序列公共数据库为研究对象,研究新型的计算机虚拟筛选技术,通过生物信息学的手段对酶的功能进行准确快速的预测,并通过高通量的虚拟筛选获得全新高效的酶催化元件;以特定的目标反应为导向,开发基于物理化学和立体化学构象的新算法或软件,根据反应催化机理设计过渡态模型,从基因组序列公共数据库筛选出具有特殊性能的功能序列,从而发掘出尚未发现的新型酶催化剂元件,能够以高度的专一性和活性完成特定催化反应。

(3)酶催化反应机理

利用现代 X 射线衍射晶体学、高分辨核磁共振技术、原子力显微镜和冷冻电镜等技术手段解析酶蛋白分子、酶-底物分子复合物的空间结构,发现酶蛋白分子的关键功能域;通过紫外、荧光、圆二色谱、傅里叶红外、电子顺磁共振等现代光谱学手段对酶生物催化过程中的活性中心、底物、产物以及反应中间体进行表征,探究生物催化机理;通过快速截留光谱、动力学同位素探针等技术监测生物催化反应的快速反应动力学过程;通过等温量热滴定、表面等离子共振等技术监测生物催化反应的热力学过程。此外,基于对生物催化系统热/动力学的深入认识,解析内在/外在因素影响酶促反应的本质和规律,发展增强酶催化反应性能的理性调控新策略。