SPG晶體結構及推測的底物結合模式 受訪者供圖
嘔吐毒素(deoxynivalenol，DON)及其衍生物是鐮刀菌產生的一類真菌毒素，常常出現在被污染的谷物中。為了確保動物及人類的健康安全，有效降解霉菌毒素成為業界關注的焦點。
1月22日，《國際生物大分子雜志》(International Journal of Biological Macromolecules)在線發表了湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室教授郭瑞庭團隊的研究論文。他們解析了一種來自棉花的特殊乙二醛酶的晶體結構，并通過結構改造獲得了有效降解嘔吐毒素的突變體。
毒素危害不容小覷
嘔吐毒素在全球范圍內的流行對以谷物為基礎的食品和飼料行業造成了嚴重的經濟損失，并嚴重威脅著人類和畜禽的健康。
郭瑞庭告訴《中國科學報》，霉菌毒素是霉菌在生長過程中產生的有毒的次級代謝產物，其在地球上存在的時間比人類還要長。
其中，3A-DON和15A-DON是其主要的衍生物，常常與嘔吐毒素同時出現。這種乙酰化的衍生物甚至比嘔吐毒素吸收得更快，且在消化過程中可以被水解轉化成嘔吐毒素，具有嚴重危害。因此，如何將這些真菌毒素化解成毒性較小或無毒的化合物已成為人們關注的焦點。
生物降解備受關注
然而，嘔吐毒素要想“解毒”卻不容易。
論文通訊作者、湖北大學教授陳純琪介紹，傳統的物理、化學去除霉菌毒素的方法存在效果不穩定、營養成分損失大、影響飼料適口性且難以規模化生產等缺點，因而無法被廣泛應用到實際生產中去。
相比于物理化學手段，生物降解是一種較為溫和的處理方式。為了研究嘔吐毒素的生物降解，該團隊聚焦于一種來自棉花的特殊的乙二醛酶(SPG)。
“嘔吐毒素的毒性與它分子結構中特定的毒性基團有關。我們如果可以把這個特定的毒性基團徹底破壞掉，生成無毒的代謝產物，就可以從真正意義上解除嘔吐毒素對動物和人的危害。”陳純琪說。
他們注意到，這種特殊的乙二醛酶(SPG)可以通過異構化將3A-DON上的C8羰基轉移到C7上，C9-C10雙鍵轉移到C8-C9，從而降低其毒性。并且這種酶的毒素降解作用不依賴于谷胱甘肽或其他昂貴的輔助因子。
陳純琪告訴《中國科學報》，這種特殊的乙二醛酶(SPG)因此在解毒3A-DON或其他結構類似的真菌毒素方面具有非常好的潛在價值。
結構改造提高活性
郭瑞庭團隊一直從事酶分子在毒素降解方面的研究。在這項研究中，團隊根據SPG靈活的底物選擇性，檢測到其同樣對15A-DON和DON具有催化活性，這可能與3A-DON具有相同的異構化機理。
隨后，他們進行了不同條件的酶反應實驗，對該酶的酶活特性進行了表征。通過對SPG高分辨率的晶體結構(1.39 埃)分析，進行合理的誘變和生化實驗。其中，基于結構設計并構建的SPGY62A對DON、3A-DON和15A-DON的催化活性提高了70%以上。
此外，畢赤酵母是一種被廣泛應用于工業酶生產的微生物。該團隊經實驗發現，SPGY62A同樣能夠被畢赤酵母高效表達。實驗證明，畢赤酵母表達的酶具有與原核表達的酶相近的催化效力。這些結果將為蛋白工程和工業應用的進一步研究提供非常好的理論依據。
該團隊胡玉梅(博后)、李豪(碩士研究生)和閔鑒(副教授)為論文共同第一作者。