Chitinase som brændt bro, Brownsk monorail, der effektivt hydrolyserer genstridig biomasse

Molekylærmotorer omdanner energi til ensrettet mekanisk bevægelse. De fleste biomolekylære motorer i celler bruger adenosintrifosfat (ATP) som en kemisk energikilde. For nylig, imidlertid, Serratia marcescens chitinase A (SmChiA) er blevet genopdaget som en molekylær motor, der arbejder i ekstracellulære miljøer uden brug af ATP. Svarende til en monorail-vogn (fig. 1), SmChiA har spaltelignende polysaccharidbindingssteder og hydrolyserer processivt genstridigt krystallinsk chitin, en vigtig biomassekilde, til et vandopløseligt disaccharid chitobiose. Som et værktøj til omdannelse af biomasse til nyttige kemikalier, SmChiA er blevet grundigt undersøgt.

Under den processive katalyse og bevægelse på en krystallinsk kitinoverflade, SmChiA binder med en enkelt chitinkæde i den katalytiske kløft og gentager kemiske og mekaniske trin. I det kemiske trin, glykosidbindingen spaltes først, og substratets mellemstruktur hydrolyseres. Reaktionsproduktet, chitobiose, frigives derefter, og den næste chitobioseenhed skrælles fra krystaloverfladen (dekrystallisation) ledsaget af det fremadgående trin. I betragtning af størrelsen af ​​reaktionsproduktet chitobiose (~1 nm), SmChiA forventes at bevæge sig med enkelt-nanometer trinstørrelser. Derfor, en enkelt-molekyle billeddannelsesteknik med høj præcision og hastighed var påkrævet for at løse de enkelte trin kombineret med katalyse.

For at forstå driftsmekanismen for hurtig katalyse og den ensrettede bevægelse af SmChiA, Nakamura og kolleger i Institut for Molekylær Videnskab (IMS) analyserede elementære bevægelsestrin kombineret med katalyse ved hjælp af højpræcision og højhastigheds enkeltmolekyle-billeddannelse sonderet med guldnanopartikler. De bekræftede hurtig ensrettet bevægelse (~50 nm s-1) med 1 nm fremad- og tilbageskridt, i overensstemmelse med længden af ​​reaktionsproduktet chitobiose. Analyse af den kinetiske isotopeffekt afslørede, at hydrolyse er meget hurtigere end dekrystallisation. Det meget større frem-til-bagud-trinforhold forklares af konkurrencen mellem katalysen (86 procent) og baglæns bevægelse (14 procent), hvilket indikerer, at bevægelsen rettes fremad ved hurtig katalyse (fig. 2). Dette er den såkaldte "brændte bro"-mekanisme, fjernelse af skinnen bagved, og tvinger molekylet til at bevæge sig fremad.

Desuden, gennem samarbejdet mellem IMS og Tokyo Institute of Technology, SmChiA viste sig at være en "brændt bro" Brownsk skralde, verificeret ved røntgenkrystallografi og molekylær dynamik simulering af de mellemliggende strukturer under glidende bevægelse. Dekrystallisering af en enkelt chitinkæde er det hastighedsbegrænsende bevægelsestrin, der opnås ved at binde fri energi på produktbindingsstedet, angivet ved sammenligning af fri energiforskelle estimeret ved enkeltmolekyleanalyse med krystallinsk kitin og teoretisk beregning af bindingsenergien med opløseligt oligo-saccharid.

Fundet demonstrerer, hvordan SmChiA kontrollerer den Brownske bevægelse og udvinder hurtig ensrettet bevægelse for kontinuerlig nedbrydning af krystallinsk kitin uden dissociation. Strategien udviklet af SmChiA kan ikke kun anvendes til at udvikle chitinaser og cellulaser til mere effektive nedbrydninger af kitin og cellulose, men også at designe hurtigt bevægende kunstige molekylære motorer såsom DNA walkers.