基于药效团模型与同源建模技术的邻苯二甲酸酯生物降解增强研究

作     者：周梦莹 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：李鱼;李兴春

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：邻苯二甲酸酯（PAEs） 计算机辅助设计 分子对接 分子动力学 药效团模型 同源建模 

摘      要：邻苯二甲酸酯（phthalic acid esters,简称PAEs）,又名酞酸酯,是一类广泛应用于塑料等工业领域和消费领域的无卤草酸盐。PAEs具有高脂溶性、低水溶性、高辛醇-水分配系数等一系列特征,在土壤、污泥、水体等介质中普遍检出。PAEs具有致畸性、致突变性、致癌性及生殖毒性,在环境中化学性质稳定,不易降解,PAEs的监测和去除受到了广泛关注。目前的处理工艺对环境中PAEs的去除仍不够彻底,寻求环境友好型PAEs替代物,并提高PAEs在污染场地的生物修复效率,是目前研究的热点方向。本研究在保留PAEs作为增塑剂功能的条件下,通过分子修饰获得兼具高生物降解性、低生物毒性的PAEs衍生物分子,以代替环境中PAEs物质,减少其环境危害;并借助计算机辅助的蛋白质工程对环境中的PAEs降解酯酶进行氨基酸突变修饰,提高其对污染环境中PAEs的生物降解能力。在环境友好型PAEs衍生物分子设计方面,本文研究了污水处理厂中13种PAEs的生物降解性与毒性,并通过分子修饰提高PAEs的生物降解性并降低其生物毒性:采用阈值法综合评价13种PAEs的综合活性,构建PAEs生物降解与毒性多效应综合药效团模型,由此设计出40种PAEs（以HEHP、DNOP、DUP为模板分子）衍生物分子。通过环境友好性和功能性评价,共筛选出2种环境友好型PAEs衍生物分子（HEHP-Anthryl、HEHP-Naphthyl）。与修饰前相比,HEHP-Anthryl的生物降解性与毒性分别改善了 27.02%和36.93%,HEHP-Naphthyl的生物降解性提高了 38.27%,生物毒性降低了 54.56%。在高效PAEs降解酯酶替代物设计方面,本研究还以6种优先控制PAEs污染物（DBP、DEP、DMP、DNOP、BBP、DEHP）为研究对象,以从土壤Bacillus subtile中分离获得的PAEs降解酯酶CarEW（PDB ID:1C7I）为模板,采用迭代饱和突变策略对其关键氨基酸进行突变,通过同源建模方法构建结构合理的PAEs降解酯酶替代物,共设计了 285个单位点和多位点取代的PAEs降解酯酶替代物,其中207个PAEs降解酯酶替代物对6种PAEs的降解性均优于修饰前,其中6位点取代酶1C7I-6-9的降解性能相较修饰前提升幅度最高达84.21%。此外,本文还设计出11种兼具热稳定性的高效PAEs降解酯酶替代物。通过基于田口实验方法的分子动力学模拟PAEs降解酯酶替代物降解PAEs的最佳外部应用环境条件（pH,温度,表面活性剂,有机质,促氧剂,电压,污染物浓度）,相较不考虑外部应用环境时降解效果提高13.04%。本文采用计算机辅助设计的手段,设计出兼具高生物降解性与低生物毒性的环境友好型PAEs衍生物分子及高效PAEs降解酯酶替代物,分别从污染源头预防与污染末端治理角度实现对环境中PAEs的综合管理,为我国的PAEs污染控制提供了一定的理论指导。