新型酶為農(nóng)作物食品安全保駕護(hù)航

聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織建議赭曲霉毒素A的周攝入量按照體重計(jì)算，不超過100納克/公斤。我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了谷物等糧食及制品中赭曲霉毒素A的限量標(biāo)準(zhǔn)為5微克/公斤。因此，如何實(shí)現(xiàn)赭曲霉毒素A的高效、安全降解與脫毒，對保障食品安全具有重要意義。

8月6日，科技日報(bào)記者獲悉，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭瑞庭教授團(tuán)隊(duì)，解析了酰胺水解酶ADH3及其與赭曲霉毒素A復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了ADH3催化赭曲霉毒素A水解脫毒的分子作用機(jī)制，并通過分子改造大幅提升了ADH3對赭曲霉毒素A的水解效率。相關(guān)研究論文近日發(fā)表在國際期刊《危險(xiǎn)材料雜志》上。

赭曲霉毒素A是由曲霉屬、青霉屬等有害真菌合成的毒性次級代謝產(chǎn)物，產(chǎn)生于小麥、玉米、茶葉、咖啡等農(nóng)作物的田間生長、采后儲藏、生產(chǎn)加工等多個環(huán)節(jié)，具有致癌、致突變、致畸形等毒副作用，嚴(yán)重威脅人類和牲畜健康。

赭曲霉毒素A含量是食品質(zhì)量與安全的重要控制指標(biāo)，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織建議赭曲霉毒素A的周攝入量按照體重計(jì)算，不超過100納克/公斤。我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了谷物等糧食及制品中赭曲霉毒素A的限量標(biāo)準(zhǔn)為5微克/公斤。

因此，如何實(shí)現(xiàn)赭曲霉毒素A的高效、安全降解與脫毒，對保障食品安全具有重要意義。

“用生物酶催化赭曲霉毒素A分子內(nèi)的酰胺鍵水解，生成無毒性的苯丙氨酸和赭曲霉素α，是目前公認(rèn)的最有效的赭曲霉毒素A脫毒途徑，具有特異性強(qiáng)、安全性高、營養(yǎng)損失小等特點(diǎn)，也是當(dāng)前赭曲霉毒素A脫毒研究的熱點(diǎn)?！惫鹜ソ榻B，然而，目前發(fā)現(xiàn)的參與赭曲霉毒素A水解脫毒的羧肽酶、脂酶、蛋白酶的催化效率較低，難以推廣使用。

2022年，我國的研究團(tuán)隊(duì)從一株高效降解赭曲霉毒素A的嗜酸寡養(yǎng)單胞菌中，篩選獲得了一個迄今最為高效的赭曲霉毒素A酰胺水解酶ADH3，其對赭曲霉毒素A的水解活性較之前報(bào)道的羧肽酶、脂酶等高50—30000倍。

那么ADH3三維結(jié)構(gòu)和底物作用方式如何決定其對赭曲霉毒素A的高水解效率？如何進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改造ADH3，以進(jìn)一步提升其對赭曲霉毒素A的催化性能？

為了闡明上述關(guān)鍵科學(xué)與應(yīng)用問題，郭瑞庭團(tuán)隊(duì)通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了分辨率為2.5埃的ADH3與赭曲霉毒素A的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，揭示了ADH3與赭曲霉毒素A的結(jié)合模式與分子作用機(jī)制。

在獲得了ADH3與赭曲霉毒素A的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)模型后，郭瑞庭團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對ADH3與赭曲霉毒素A的結(jié)合口袋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與理性設(shè)計(jì)，通過對氨基酸位點(diǎn)S88、L218和V357進(jìn)行突變，以增強(qiáng)ADH3與赭曲霉毒素A之間的親水作用力或芳香環(huán)堆積力，最終成功獲得了一個突變體蛋白ADH3-S88E，其對赭曲霉毒素A的水解效率同ADH3相比可提升4倍。

在成功獲得ADH3-S88E后，郭瑞庭團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以畢赤酵母（食品安全級工業(yè)表達(dá)菌株）為底盤細(xì)胞，構(gòu)建了高效分泌表達(dá)ADH3和ADH3-S88E的重組畢赤酵母菌株。酶活測試發(fā)現(xiàn)，在畢赤酵母中表達(dá)的ADH3、ADH3-S88E和在大腸桿菌中表達(dá)的ADH3、ADH3-S88E酶的活性是一樣的，證明畢赤酵母具有用于工業(yè)生產(chǎn)ADH3-S88E的潛力。

“接下來我們還將進(jìn)一步對畢赤酵母進(jìn)行蛋白表達(dá)量篩選和發(fā)酵條件優(yōu)化，開展ADH3-S88E在不同應(yīng)用場景下的赭曲霉毒素A水解脫毒工藝優(yōu)化研究，為谷物原料中的赭曲霉毒素A脫毒提供高效的酶制劑。”論文第一作者、湖北大學(xué)副教授戴隆海表示。（陳 曦）