• 揭示了底物结合口袋附近的氨基酸对酶催化活性的影响。• 阐明了生物酶催化降解磺酰脲类除草剂的反应过程。• 理性设计了兼具高除草活性和生物降解性的新型磺酰脲类除草剂分子。
磺酰脲类除草剂是世界上最重要的除草剂种类之一。然而，这些除草剂在环境中的残留不仅对作物产生植物毒性，而且对生态系统构成重大威胁。虽然目前已经发现一些生物酶可以降解磺酰脲类除草剂，但它们的催化效率依然较低。本研究通过理论计算方法深入研究了生物酶催化磺酰脲类除草剂的降解机理，提出了提升酶催化降解效率的工程化策略，进一步利用高通量策略理性设计了一系列兼具高除草活性和生物降解性的新型磺酰脲类除草剂分子。分子动力学模拟结果表明SulE酶与磺酰脲类除草剂结合的主要氨基酸包括A亚基上的疏水残基Ala234、Phe257、Phe293、Trp296、Trp297和B亚基上的Ile43等。此外，提出了R150A变体由于氢键网络的破坏导致其催化活性完全丧失的分子机理（图1）。图1 常见磺酰脲类除草剂（a）与酶SulE（b）的结构通过量子力学/分子力学（QM/MM）联用方法发现，酶SulE催化的磺酰脲类除草剂降解过程需要经过四个协同的反应步骤，即丝氨酸引起的亲核进攻反应、底物的酯键断裂、水分子引发的亲核进攻反应、酰化酶中间体的C-O键断裂（图2）。 QM/MM计算结果表明，TM、MM和CE的决速步能垒分别为19.7、20.2和21.9 kcal·mol-1，与实验测定的16.0~8.0 kcal·mol-1具有较好的一致性，验证了本研究计算结果的可靠性（图3）。图3 （a）酶催化磺酰脲类除草剂TM、MM、CE降解的反应能垒；（b-f）酶催化降解反应过程中关键结构的变化QM计算、生物酶电场分析、扰动/相互作用分析共同表明，酶环境（去除活性位点氨基酸）对酶催化活性贡献较少，而酶SulE活性位点氨基酸残基对酶催化效率具有显著影响，因此，推测酶SulE独特的活性位点结构可作为设计人工催化的模板（图4）。 图4 （a）酶SulE的活性位点关键氨基酸残基；（b）QM和QM/MM计算的能垒比较；（c）扰动/相互作用分析
系统筛选并确定了影响酶催化反应活性的关键特征（结构和电荷），构建关键特征与催化活性之间的关系。基于构建的结构/电荷-活性关系模型有针对性地提出可能提升酶催化活性的工程化策略（图5）。 图5 （a-d）影响酶催化降解活性的关键结构/电荷参数基于本研究揭示的酶催化降解机理，利用高通量策略理性设计了一系列既具有高除草活性又易于生物降解的新型磺酰脲类除草剂分子（图6）。图6 （a）酶AHAS与CE结合的结构；（b）酶SulE和CE的复合物结构；（c）36个设计的磺酰脲分子分别与AHAS和SulE的结合自由能；（d）6个磺酰脲分子在SulE酶催化下的速率决定步骤能垒本研究重点揭示了生物酶催化磺酰脲类除草剂降解机理，提出了酶催化活性的工程化策略，理性设计了兼具高除草活性和生物降解性的新型磺酰脲类除草剂分子。本研究有望为开发具有更强除草活性和生物降解性的新型磺酰脲分子，推动磺酰脲类除草剂在环境可持续性框架下的应用提供支撑。第一作者：郑明娜，通讯作者：李延伟 教授，通讯单位：山东大学https://doi.org/10.1021/acs.est.4c04929
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