王斌举教授团队：膜结合颗粒甲烷单加氧酶铜中心的配位特征以及催化活性

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近日，我院王斌举教授团队理论解析了膜结合甲烷单加氧酶铜中心的配位特征以及催化活性。相关研究成果以“Unraveling the Valence State and Reactivity of Copper Centers in Mem-brane-Bound Particulate Methane Monooxygenase”为题发表于J. Am. Chem. Soc杂志 （Doi：10.1021/jacs.3c08834)。
        含铜颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）在催化甲烷转化为甲醇方面发挥着关键作用，该酶参与甲烷氧化细菌内C1代谢途径的第一步反应。pMMO在所有甲烷氧化细菌中均广泛表达，每年消耗数千万公吨大气甲烷，对温室效应的调控发挥关键作用。迄今为止，人们对pMMO结构和催化机理的理解仍非常有限。在纯化的pMMO中，前期研究认为PmoC上CuC中心为催化活性中心。近期，研究人员将仿生脂质纳米盘与pMMO组装，成功获得了完整的膜内pMMO结构。不同与纯化的pMMO，冷冻电镜显示膜结合的pMMO存在第四个铜位点（CuD位点），该位点在纯化的pMMO中完全缺失。

         虽然近年来对pMMO进行了大量的实验和理论计算探索，但是，膜结合型pMMO的保守CuC和CuD位点的价态和催化功能仍然尚未获得清晰诠释。课题组前期对纯化pMMO的研究表明在CuC位点酚类还原剂参与介导氧气活化生成H2O2中间体，H2O2进一步通过Cu(I)催化的O-O键均裂生成甲烷活化的Cu(II)-O•–活性物种（Nature Catalysis 2021, 4, 266-273）。在本工作中，课题组采用了经典的MD、QM/MM MD、QM/MM以及QM计算方法，解析了膜内pMMO的不同铜中心的价态特征以及反应活性差异。研究表明:（I）CuC和CuD位点倾向于Cu(I)的结合，然而，CuC和CuD位点不太可能同时被Cu(I)占据; (II) 在H2O2和Cu(II)-O•–活性物种生成中，CuD(I)位点比CuC(I)位点具有更高的反应活性; (III) 动力学模拟表明天然还原剂泛醇（CoQH2）能够以反应姿态结合在CuD(I)位点参与氧气活化，而无法在CuC(I)位点以反应姿态结合，借一步支持膜结合pMMO的实际活性位点更有可能是CuD，而非CuC。值得注意的是，近期实验相关课题组采用谱学和冷冻电镜手段，在CuD位点捕捉到了产物的类似物，间接支持CuD位点为膜结合pMMO的实际活性中心 （Nature Catalysis, 2023, https://doi.org/10.1038/s41929-023-01051-x）。本研究工作为进一步改造pMMO酶以及pMMO的催化位点的高效利用提供理论基础。
        文章通讯作者为我院王斌举教授，第一作者为19级博士彭炜（已毕业，现就职于中国科学院地球环境研究所）。研究工作主要得到了国家自然科学基金（22122305, 22121001 和 22073077）以及中国科学院百人基金 (E3520802和522023000062) 的支持。
         论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08834
         文章来源：厦门大学
       王斌举，厦门大学教授、博导。2012年博士毕业于厦门大学，导师曹泽星教授。随后在以色列希伯来大学从事博士后研究，合作导师为著名理论与计算化学家Sason Shaik教授。2016年于西班牙巴塞罗那大学从事博士后研究，合作导师为糖酶计算领域先驱Carme Rovira教授。王斌举教授，研究领域为水溶液环境下酶催化反应的多尺度理论模拟，主要通过量子化学计算、分子动力学模拟、量子力学/分子力学组合方法、以及从头算动力学模拟等多尺度理论模拟方法揭示金属酶催化机制，特别是O2、H2O2在金属酶中的活化过程及含氧中间体反应性质、电子质子转移微观机理，并设计拓展金属酶应用于非生物催化领域。在JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., ACS Catal., Chem. Sci.等权威期刊发表论文38篇。