近日，微生物代谢全国重点实验室唐鸿志教授团队在蛋白质工程与环境微生物修复领域取得重要进展。团队提出了一种基于“局部结构动态稳定中心（DSCLSs）”识别与强化的蛋白质热稳定性工程新策略，显著提升了多种工业及环境修复酶的热稳定性与催化效率，相关成果以 “A Generalizable Strategy for Engineering Protein Thermostability by Reinforcing Dynamic Stability Centers of Local Structure” 为题发表在 《Research》 （中科院双1区Top期刊）。上海交通大学毕业硕士研究生邱旭为第一作者，本室唐鸿志教授和王伟伟副研究员为通讯作者。
这一通用策略的提出，建立在该团队对一株特殊的嗜热细菌——解氢芽孢杆菌（Hydrogenibacillus sp.）N12及其代谢酶系统长期的系统性研究基础之上。此前，围绕该菌株的发现、生理生化特性、关键酶挖掘及定向进化，团队已先后在《Journal of Biological Chemistry》(2024)、《Applied and Environmental Microbiology》(2023)及《Environmental Microbiology》(2022)上发表系列文章。
酶作为生物催化剂，在工业生产和环境修复中具有巨大潜力，但天然酶往往面临热稳定性差、难以适应工业高温环境等问题。尽管理性设计是提高蛋白质稳定性的重要手段，但如何精准识别关键的“结构弱点”并进行有效加固仍是该领域的难点。此外，多环芳烃（PAHs）是一类广泛存在的持久性有机污染物，其中高分子量PAHs（HMW-PAHs）因结构稳定更难被生物降解。因此，挖掘耐热的高效降解菌株及酶资源，并对其进行工程化改造，对于环境修复具有重要意义。
蛋白质热稳定性是限制酶制剂工业化应用的关键瓶颈。尽管关于酶热稳定性改造的报道层出不穷，但如何从蛋白质复杂的动态结构中精准识别决定稳定性的“核心枢纽”，一直是业界的难题。
本次研究中，团队从嗜热细菌Hydrogenibacillus sp. N12 中挖掘出三种在90°C下仍保持活性的嗜热外二醇双加氧酶（TEDOs）。通过探究其天然耐热元件的结构特征，团队深受启发，提出了一种全新的理性设计概念——局部结构动态稳定中心（DSCLSs）。
图1 基于氨基酸互相关网络建立的蛋白质局部结构动态稳定中心（DSCLS）的识别和增强策略
DSCLS 被定义为氨基酸网络中维持蛋白质整体拓扑结构稳定的“强枢纽”。团队开发了一套整合分子动力学（MD）模拟、互相关氨基酸网络（CCAAN）分析等技术的综合方法，用于精准识别并增强这些中心。
策略验证与应用：为了验证该策略的通用性，团队对多个不同类型的酶进行了改造
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验证阶段：在嗜温外二醇双加氧酶 (MEDO-MT-2)、念珠菌酮还原酶 (CpKR) 和 PET水解酶 (CaPETase) 中，该策略均成功筛选出了稳定性显著提升的突变体。
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应用阶段：利用该策略改造红球菌来源的四氢嘧啶合成酶 (xp-EctC) 和芽孢杆菌来源的 EDO L1，最优突变体的 Tm 值提升了约 15°C，且突变有效率为100%。此外部分突变体活性，如xp-EctC 突变体 (I2R) 在高温下的催化效率是野生型的 2.1倍。
图2 基于DSCLS的识别和增强指导酶的热稳定性改造
上述通用策略的诞生，植根于团队对 Hydrogenibacillus sp. N12 这一宝贵菌株资源的深耕细作。从发现菌株到解析其代谢奥秘，团队走过了一段扎实的探索之路。
1. 菌株发掘：极端环境中的清洁工
2021年，团队在《Environmental Microbiology》上发文，分离并鉴定了一株能够在 60°C 以上高温环境中生长，并以萘为唯一碳源的嗜热细菌——Hydrogenibacillus sp. N12。全基因组测序与代谢物分析揭示，N12 拥有独特的代谢通路，能够共代谢多种多环芳烃（PAHs）。这为后续挖掘耐热酶资源提供了研究基础。（https://enviromicro-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15869）
2. 深度挖掘：关键酶NarA2B2的机理破译
在明确了 N12 的降解能力后，团队进一步在《Applied and Environmental Microbiology》上报道了其关键功能酶——嗜热芳香环羟基化双加氧酶 NarA2B2。研究精细解析了该酶的催化三联体（H222-H227-D379），并通过分子动力学模拟发现，D219 等关键位点对维持铁中心稳定性和底物口袋形状至关重要。这一阶段的研究，让团队对“酶如何在高温下保持结构与功能”有了初步的微观认识。（https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00865-23）
3. 定向进化：攻克大分子污染物降解难关
针对环境中难降解的高分子量 PAHs，团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的研究中，利用结构导向的理性设计对 NarA2B2 进行了改造。通过识别阻碍大分子底物进入的四个“热点”残基，团队成功获得了能高效降解高分子量 PAHs，如萘、菲、芴、苊、咔唑、二苯并噻吩、联苯和芘。NarA2B2突变体，其效率比野生型高出 2-4 倍。这一工作不仅解决了具体的环境修复难题，也锻炼了团队在酶结构分析与理性设计方面的能力，为后来 Research 文章中通用策略的提出积累了关键的技术经验。（https://www.jbc.org/article/S0021-9258(24)01844-1/fulltext）
总结与展望
从菌株N12的发现，到关键功能酶学机理与定向进化，再到通用方法学构建，唐鸿志教授团队不仅阐明了嗜热细菌 N12 降解污染物的分子机制，更敏锐地捕捉到其耐热酶背后的结构规律。
该工作获得了国家重点研发计划（2021YFA0909500）、国家自然基金委青年科学基金项目（A类）（32525009）、国家自然科学基金（32370106、U22A20444）、上海市市级科技重大专项等经费支持。
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