Angew. Chem. ：一种源于细菌组氨酸激酶的单结构域ATP合成酶

ATP是生物体内最主要的能量来源，对于生命活动至关重要，其在生物体内的合成依赖于庞大的ATP合酶蛋白质机器以及多结构域的腺苷酸激酶（AdK）体系。至今还未有单结构域的ATP合成酶被报道。此外，研究者们尝试了多种体外合成ATP的方法，但是大多体系较为繁冗且操作复杂。因此急需开发一种简单且反应条件温和的高效ATP合成酶以应用于诸多ATP依赖的生物反应体系中。

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院姜凌研究员和刘乙祥副研究员团队基于细菌双组分信号转导系统组氨酸激酶设计了一种单结构域的ATP合成酶，以源自海栖热袍菌的HK853为例，构建了可以在体外以ADP为底物高效合成ATP的CA结构域。该系统具有较高的热稳定性，且催化反应温和可控，可以成功应用于ATP依赖的生物体系中。

研究团队应用核磁共振等多种技术表征了该结构域的催化活性和热稳定性，并探索了影响其酶活的关键因素，如温度、浓度、pH值以及金属离子等。通过实验与分子动力学模拟相结合，研究者推测其催化机制类似于腺苷酸激酶（AdK），即同时结合两分子ADP生成ATP和AMP，并且反应可逆。此外，他们还基于该反应机制设计了一系列突变以调节其催化活性，为将来的生物酶改造提供了研究方向。

在探索了反应机制后，研究者们还将其应用于多种基于磷酸化的生物体系中，不仅实现了各类底物（如蛋白质、DNA以及小分子等）以ADP为磷酸根来源的磷酸化，还实现了ATP的高效利用，并探索了In-cell应用的可能性。该反应体系有望被广泛应用于体内外ATP依赖的研究中。

论文信息

An ATP “Synthase” Derived from a Single Structural Domain of Bacterial Histidine Kinase

Shixia Ji, Dr. Yuan Zhou, Dr. Jiawen Chen, Dr. Minghui Yang, Dr. Conggang Li, Dr. Maili Liu, Dr. Yixiang Liu, Dr. Ling Jiang

文章的第一作者为华中科技大学光电国家研究中心与中国科学院联合培养的吉仕夏博士研究生。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202318503