****《Nature》获蛋白电位研究突破

　　

生物通报道：来自美国伊利诺伊大学香槟分校 (UIUC)化学系，美国布克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory (BNL)）的研究人员完成了一项超越自然的任务：将天青蛋白的砷酸盐还原酶的还原电位调整到远远超过自然范围，这项研究工作将来可用来设计非天然光合作用中心或用于能量转换的人工燃料电池催化剂。

这项研究成果发表于本期（11月5日）Nature杂志上，领导这项研究的是美国伊利诺伊大学香槟分校 (UIUC)化学系教授，“****”特聘教授陆艺博士，其早年毕业于北京大学，后在加州大学洛杉矶分校获得博士学位，主要研究方向及兴趣主要包括金属蛋白设计、 人工生物催化剂工程、DNA/RNA 接触反应、生物传感器等。曾在Nature，Science，PNAS，Adv. Mater等国际著名学术刊物发表论文200多篇。

对于这项研究，陆艺博士解释道，“我们发现两个重要的相互作用：疏水作用（hydrophobicity）和氢键（hydrogen bonding）能对一种特殊的铜蛋白——铜还原蛋白（cupredoxins）的还原电位进行微调”，“我们将这种之前在自然界发现的规律进行了延伸，上调和下降。”

很多金属蛋白（在它们活性点上含有金属原子的蛋白）是涉及电子转移的生物反应的关键。之前科学家们为了能扩充金属蛋白的电位范围，需要在反应中用到几个不同的氧化还原试剂，因而很难实现在不改变其它电子转移性能或电效率的前提下，调整氧化还原电位。

而且稳定性好，可溶于水的还原试剂也不多，另外可用的这些试剂也存在电位范围限制的问题。陆艺博士说，“因此目前生化研究和环保水研究都急需具有广泛电位范围的，可溶性，有效还原试剂。”

为了解决这一问题，陆艺博士率领其研究小组对铜氧化还原蛋白AZURIN，天青蛋白的砷酸盐还原酶进行了分析，并且通过改变金属结合点近端或远端的关键氨基酸，将这一蛋白分子的还原电位调整到远远超过自然范围。

实验证明，经过修改的这种还原试剂能在一个非常高的电位和非常低的电位之间进行设置，这可用来设计非天然光合作用中心或用于能量转换的人工燃料电池催化剂。

陆艺博士主要研究方向及兴趣主要包括金属蛋白设计、 人工生物催化剂工程、DNA/RNA接触反应、生物传感器等，在06年他曾发明出一种简单的、能够检测唾液、尿液或血清中含有的可卡因和其他药物的“量尺”化验方法。这种化验基于DNA-金纳米颗粒技术，并且能够被放置到用户易操作试剂盒中，能够被处于救护第一线的工作人员或紧急情况下的家体成员快速检测个体是否使用了某种药物和其他化学物质。

除此之外，近期其研究小组还开发出了一种快速检测可卡因测试条，这种生化检测条(test strips)，如同操作验孕试纸一样，非常简单，只需将检测条浸入样本中观察是否出现颜色条带，这种检测条可靠性不啻于实验室方法。可以帮助急救医生对毒药或者患者过量服用的毒品类型做出快速、可靠的诊断。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Rationally tuning the reduction potential of a single cupredoxin beyond the natural range
Nicholas M. Marshall1, Dewain K. Garner1, Tiffany D. Wilson1, Yi-Gui Gao1, Howard Robinson2, Mark J. Nilges1 & Yi Lu1

Top of pageRedox processes are at the heart of numerous functions in chemistry and biology, from long-range electron transfer in photosynthesis and respiration to catalysis in industrial and fuel cell research. These functions are accomplished in nature by only a limited number of redox-active agents. A long-standing issue in these fields is how redox potentials are fine-tuned over a broad range with little change to the redox-active site or electron-transfer properties. Resolving this issue will not only advance our fundamental understanding of the roles of long-range, non-covalent interactions in redox processes, but also allow for design of redox-active proteins having tailor-made redox potentials for applications such as artificial photosynthetic centres1, 2 or fuel cell catalysts3 for energy conversion. Here we show that two important secondary coordination sphere interactions, hydrophobicity and hydrogen-bonding, are capable of tuning the reduction potential of the cupredoxin azurin over a 700 mV range, surpassing the highest and lowest reduction potentials reported for any mononuclear cupredoxin, without perturbing the metal binding site beyond what is typical for the cupredoxin family of proteins. We also demonstrate that the effects of individual structural features are additive and that redox potential tuning of azurin is now predictable across the full range of cupredoxin potentials.

附：

陆艺，教育部“****”特聘教授，美国伊利诺伊大学香槟分校 (UIUC)化学系教授，为Nature、Science、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. 等多种国际著名学术刊物审稿专家。曾获得美国Fellow American Association 科学进步奖、美国国家自然科学基金会特别创新奖（前美国总统青年奖）、美国生物无机化学学会（SBIC）青年科学家奖、Camille Dreyfus Teacher-Scholar、Howard Hughes 医学学会教授奖。目前研究领域涉及生物无机化学及其在生物医学工程、环境工程、化学工程等方面的应用，在Nature，Science，PNAS，Adv. Mater等国际著名学术刊物发表论文200多篇。