英文原题：
Computational Study of the Fe(II) and α-Ketoglutarate-Dependent Aryloxyalkanoate Dioxygenase (AAD-1) in the Degradation of the Herbicide 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid
通讯作者: 刘永军, 山东大学化学与化工学院
作者：Xue Zhang, Xinyi Li, Yijing Wang, Xianghui Zhang, and Yongjun Liu*
背景介绍
2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）是最古老且广泛使用的合成除草剂，2,4-D的生物活性来源于它与天然植物激素吲哚-3-乙酸（IAA）的结构相似性，IAA可以自由进出跨膜转运蛋白离开细胞，但2,4-D不会离开细胞从而导致植物细胞的最终死亡。2,4-D的大量长期使用对生态环境造成一定污染。幸运的是已经有一些微生物进化出相应的代谢途径来对2,4-D进行生物降解，最后将2,4-D转化为毒性小或基本无毒的小分子化合物，进入生物循环。这些降解过程通常需要多种酶的催化作用。
文章亮点
2023年5月，山东大学化学与化工学院刘永军教授团队在化学信息学和人工智能研究领域的国际权威学术期刊Journal of Chemical Information and Modeling (JCIM)上发表了题为 “Computational Study of the Fe(II) and α-Ketoglutarate-Dependent Aryloxyalkanoate Dioxygenase (AAD-1) in the Degradation of the Herbicide 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid”的研究论文，通过理论计算揭示了AAD-1催化降解2,4-D形成氯代苯酚的微观机理。微生物通过酶催化反应移除芳香环上的支链取代基被认为是卤代芳香烃生物降解的首要阶段，其形成的卤代酚可在其它脱卤酶的催化下脱去卤素基团，将卤代烃转化为易于进一步降解的酚或醌类化合物。
刘永军教授课题组发现非血红素芳氧基双加氧酶(AAD-1)负责将2,4-D降解为2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）和乙醛酸，其反应过程主要包括2,4-D侧链的羟基化及半缩醛中间体的分解。计算表明，半缩醛中间体的形成遵循一般非血红素氧化酶的催化反应机制，包含氢攫取及羟基自由基反弹两步基元反应，其反应能垒低，反应速率快，但研究发现中间体半缩醛在酶活性中心的分解非常慢，主要是由于分解过程涉及分子内的质子转移过程，而底物与活性口袋残基之间的氢键作用限制了底物分子中末端羧基的旋转，导致半缩醛中间体分解速率的大大降低。
图1. 本工作中考虑的2,4-D降解反应机理。
陈海峰教授课题组与宇道生物团队从分子力场底层构架出发，基于宇道自主开发的 AlloMatrix 变构蛋白数据库，通过 Deep Learning 框架进行大规模力场参数优化，开发的变构特异性力场 APSF 在八个体系测试中可有效捕捉到变构效应，成功了复现这些体系中已知的变构位点，并挖掘出传统力场难以识别的隐式变构位点和深层变构位点，实现了对变构效应的高效精准发现。
图2. (a) AAD-1酶催化形成半缩醛的反应路径能量剖面图；(b) AAD-1酶催化半缩醛分解的反应路径能量剖面图；(c) 过渡态及中间体构型（所有距离均为以Å表示）。
考虑到半缩醛在酶活性中心的分解过程并不需要周围残基的协助，该课题组还进一步探索了半缩醛中间体的非酶催化反应，发现在游离的半缩醛分子中羟基和羧基可形成分子内氢键，非常有利于质子转移，导致半缩醛分解过程的能垒大大降低（<13 kcal/mol）。这意味着如果中间体半缩醛若不能迅速扩散到溶剂中，AAD-1酶催化降解合成除草剂的催化速率将非常低。目前，中间体半缩醛的分解是否发生在酶活性中心仍然需要实验工作的进一步验证。该研究可为深入理解2,4-D的生物降解提供新的思路。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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