合作单位：Nanjing Agricultural University
参考文献：Xiyi Zhou, Long Zhang, Ling Wei, et al. International Biodeterioration & Biodegradation, 2020. DOI：10.1016/j.ibiod.2020.105104（IF = 4.91）
背景：
除草剂在控制杂草的同时也会造成严重的环境污染问题。市场上70%的除草剂含有手性结构，如芳氧苯氧丙酸(AOPP)类除草剂。虽然手性除草剂的对映体具有几乎相同的物理和化学性质，但由于它们与酶或其他手性分子的相互作用不同，它们在具有不同毒性、生物活性和环境行为的生态系统中表现出不同的对映选择性。
喹禾灵(QE)是一种AOPP除草剂，在QE的两种对映体中，除草活性主要来自(R)-对映体，该对映体也以精喹禾灵的名称生产和销售。然而，QE的外消旋物形式[(Rac)-QE]由于具有良好的除草活性和较低的成本，在许多国家仍被广泛应用。QE的两种对映体的环境归宿引起了相当大的关注，这两种对映体在环境中可能由于微生物的对映选择性分解代谢而表现不同。(Rac)-QE在土壤中的对映选择性降解已有报道，(S)-QE在酸性土壤和碱性土壤中的降解速度略快于(R)-QE。到目前为止，已经报道了几种能够将(R)-QE水解为(R)-QA的酯酶。这些酯酶主要集中在QE的(R)-对映体上，对(Rac)-QE的对映选择性分解代谢的研究很少，特别是对(S)-对映体的分解代谢研究较少。此外，(Rac)-QE的对映选择性分解代谢机制尚未得到广泛研究。
方案设计：
本研究分离得到了一株能够高效转化(Rac)-QE的两种对映体的菌株QE-1。克隆了一个新基因(qeH)，该基因编码的酯酶(QeH)能够将(R)/(S)-QE初始转化为(R)/(S)-QA。经与魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队沟通，拟通过分子对接研究(Rac)-QE的两个对映体的对映选择性分解代谢。
主要结果：
QeH蛋白与(R)/(S)-QE的相互作用
为了进一步分析QeH蛋白与(R)/(S)-QE结合的驱动力，本文对二者的相互作用模式进行了分析，如图1所示。从图中可以看出，(S)-QE、(R)-QE与QeH蛋白的结合构象基本相似，均结合在由Ser78-Lys81-Tyr189构成的催化三联体附近。具体来讲，(R)-QE结合在Ser78、Lys81、Tyr141、Gln144、Phe170、Tyr189、Glu248、Trp260、Phe266、Ser268、Gly271、Trp351、Gly352、Gly353和Val354组成的口袋中，两个苯环与Tyr141和Gly271分别形成了π-π stacking和C-H-π相互作用，另外Val354与苯环形成了较强的疏水作用，Val354和Tyr141的空间位置可以形成“夹子”，将QE结构中的苯环夹住，使化合物稳定结合在催化位点附近。另外，(R)-QE结构中的羰基碳原子与催化中心的Ser78的氧原子之间的距离仅为3.77 Å，酯基氧原子与Tyr189的氧原子距离为3.54 Å，具备较好的催化反应条件。
同样地，(S)-QE结合在相同的口袋中，但由于甲基位置的手性构型的变化，甲基朝向Val354，两个基团由于空间位阻的作用导致关键催化原子的距离增加到了5.00 Å，而酯基氧原子与Tyr189的氧原子距离也增加到4.00 Å。这些特征可以很好地解释QeH催化(S)-QE水解的效率低于(R)-QE的现象。
图1 (R)-QE（a和b）和(S)-QE（c和d）与QeH蛋白的结合模式图（红色虚线表示催化原子距离）
QeH蛋白催化Quizalofop酯水解的作用机理推测
根据分子对接结果，并基于文献中对于该类酶催化机理的预测，本文对QeH蛋白酶催化底物(R)-QE酯键水解的反应过程进行了推测，如图2所示。从图中可以看出，QeH蛋白催化的反应过程如下：(R)-QE先结合到QeH蛋白的催化活性位点，催化中心Ser78羟基上的氢原子转移到Lys81上，形成氧负离子，并进攻底物酯基的羰基碳原子，形成C-O键；然后Tyr189的氢原子转移到(R)-QE的酯基氧原子上，同时Lys81上转移一个氢原子给Tyr189，脱去一个乙醇分子；最后，(R)-QE与Ser78形成的酯在水分子的作用下水解，活性中心还原到初始状态，(R)-QE被水解为羧基和羟基两个部分。
图2 QeH蛋白催化底物(R)-QE酯键水解的反应机理推测（黑色虚线表示氢键）
综上，当(R)-QE占据活性位点时，配体分子与配位原子之间的距离比(S)-QE短，因此QeH对(R)-QE表现出更强的配体结合亲和力。本研究将加深我们对微生物对AOPP除草剂的对映选择性分解代谢的认识。然而，为了获得更有说服力的证据，未来的工作将集中在用(Rac)-QE的两种对映体分别解析QeH的晶体结构上，对不同对映体的识别机制也需进行深入研究。
