2月28日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院李从刚、杨明晖课题组，在ATP合成酶的开发和应用研究中取得进展，首次获得了具有单结构域的ATP合成酶，解析了酶催化的分子机制，并将其应用于多种底物分子的磷酸化实验。

ATP是生物体内主要的能量来源，对于生命活动至关重要。生物体内的ATP合成依赖于ATP合酶蛋白质机器以及多结构域的腺苷酸激酶体系，但系统庞大难以规模化应用，工业生产常用的微生物发酵法和生物酶催化法存在工艺繁冗、操作复杂不易控制等缺陷。因此，开发简单且反应条件温和的高效ATP合成酶，实现体外和生物系统中ATP的可回收能量供应具有重要意义。

海栖热袍菌组氨酸激酶HK853是具有多种催化功能的蛋白酶，具备良好的热稳定性和底物专一性。研究发现，HK853的CA结构域具有新的ATP合成功能，可利用ADP高效合成ATP，且催化反应温和可控。科研人员在此基础上设计了单结构域ATP合成酶HK853^CA，并运用核磁共振等技术表征了HK853^CA实现ATP合成催化反应的最适条件，如温度、浓度、pH值及金属离子结合能力等。研究通过实验与分子动力学模拟相结合解析了酶催化的分子机制，即HK853^CA可以同时结合两分子ADP生成ATP和AMP，且反应在一定条件下可逆。研究将ATP合成酶HK853^CA应用于多种底物（如蛋白质、DNA以及小分子等）磷酸化的生物体系，实现了ADP和ATP能源分子的高效利用。

该研究基于酶催化的分子机制设计了一系列突变以调节其催化活性，并发现了此催化反应在组氨酸激酶家族中具有一定的普适性，为后续的生物酶改造和结构优化提供了新的研究方向。

相关研究成果以An ATP "Synthase" Derived from a Single Structural Domain of Bacterial Histidine Kinase为题，发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）的支持。

基于细菌组氨酸激酶设计的单结构域ATP合成酶