利用生物酶對脫氧雪腐鐮刀菌烯醇進行生物脫毒

摘? 要：安全有效地去除霉菌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON），是確保食品安全的一件迫在眉睫的事。從具有DON脫毒活性的微生物中分離出的酶，為緩解這一問題提供了有應(yīng)用前景的替代品。然而，在實用性應(yīng)用這些酶之前，必須解決一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：脫氧雪腐鐮刀菌烯醇；生物脫毒；生物酶

中圖分類號：S816 文獻標(biāo)志碼：C 文章編號：1001-0769（2023）04-00114-04

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）俗稱嘔吐毒素，是由鐮刀菌屬的霉菌產(chǎn)生的一種有毒次級代謝產(chǎn)物。DON污染一直困擾著全球農(nóng)產(chǎn)品（圖1）。事實上，在一項為期10年的全球谷物霉菌毒素污染情況的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)DON是主要的霉菌毒素污染物，與伏馬菌素和玉米赤霉烯酮等由其他鐮刀菌屬霉菌產(chǎn)生的霉菌毒素并列。氣候的變化、非生物脅迫（如二氧化碳、溫度、濕度）可能為鐮刀菌提供有利的生長環(huán)境，從而進一步加劇DON對糧食的污染（圖2）。

控制和降低DON的污染水平是確保食品安全的關(guān)鍵措施。毒理學(xué)研究表明，動物發(fā)生DON急性中毒后，會出現(xiàn)嘔吐等癥狀；發(fā)生慢性中毒，則會暴發(fā)胃腸道疾病，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)受損，生殖系統(tǒng)受到不良影響。盡管已經(jīng)在農(nóng)場水平上監(jiān)測和控制DON的污染水平，但在作物收獲后仍不可避免地需要采取物理和化學(xué)等措施去污染。遺憾的是，這些措施收效甚微，并可能會引入新的有毒化合物，而影響終端產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和適口性。

1? 向微生物學(xué)習(xí)：進攻是最好的防御

生物脫毒是霉菌毒素研究中一個不斷發(fā)展的領(lǐng)域，是指利用新型微生物或它們分泌的酶將DON轉(zhuǎn)化為毒性較低的物質(zhì)。微生物已進化出一系列新型防御系統(tǒng)來對抗DON等霉菌毒素的固有毒性。

在分子水平上，DON會與核糖體緊密結(jié)合，從而抑制細(xì)胞合成蛋白質(zhì)。促成這些相互作用的關(guān)鍵構(gòu)造要素是DON的C3羥基和C12-13環(huán)氧化物環(huán)。微生物使用多種策略來改變這些功能基團，包括脫環(huán)氧化、氧化、差向異構(gòu)化、水解、乙酰化、羥基化和糖基化。雖然可以直接利用這些微生物對DON進行脫毒，但負(fù)責(zé)脫毒的酶具有特異性優(yōu)勢，從而可以避免由其他微生物酶催化發(fā)生不必要的副反應(yīng)。

一種很有應(yīng)用前景的途徑被稱為DON差向異構(gòu)化（DON epimerisation，Dep）系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先在德沃斯氏菌17-2-E-8分離株上得到了廣泛研究，它通過將DON轉(zhuǎn)化為同分異構(gòu)體3-epi-DON完成對DON的脫毒（圖3）。這會阻礙DON與核糖體的結(jié)合。毒理學(xué)試驗表明，3-epi-DON的毒性至少比DON低50倍。豬等家畜對日糧中DON的耐受性較低，但飼喂添加了3-epi-DON的日糧后，并未出現(xiàn)任何不良反應(yīng)。

2? Dep系統(tǒng)脫毒所需的重要生物酶：DepA和DepB

Dep系統(tǒng)要發(fā)揮脫毒功能需要兩種生物酶的參與。首先第一種生物酶DepA在DON的C3羥基位點對其氧化，生成化合物3-keto-DON。隨后，第二種生物酶DepB與該化合物結(jié)合，最終將其轉(zhuǎn)化為3-epi-DON。DepA對DON具有較高的催化效率，而DepB對3-keto-DON的催化效率較低。

Dep系統(tǒng)具有多種用途，很可能用于其他霉菌毒素的脫毒，不過還需要進行更多的研究加以探討。最近的一項研究首次強調(diào)了一個事實，DepB可以將霉菌毒素展青霉素轉(zhuǎn)化為毒性較低的產(chǎn)物——ascladiol，從而完成對該霉菌毒素的脫毒。然而，DepB對展青霉素的催化效率非常低，這為今后加快Dep系統(tǒng)的脫毒過程留下了很大的改進空間。Dep系統(tǒng)生物酶對隱蔽型霉菌毒素，包括15-乙酰DON也有活性。

3? Dep系統(tǒng)生物酶的應(yīng)用

玉米副產(chǎn)品中的DON會嚴(yán)重影響畜牧業(yè)。玉米麩質(zhì)飼料、玉米漿、玉米干酒槽及其可溶物含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，通常用作家畜飼料的原料。

遺憾的是，這些飼料原料所含的DON水平可能會超過規(guī)定的閾值。在這種情況下，使用Dep系統(tǒng)生物酶作為加工助劑，可以降低DON的含量。另外，這些生物酶還可對動物飼料中的DON進行脫毒，以降低霉菌毒素被家畜攝入后的生物利用率。

4? 挑戰(zhàn)

Dep系統(tǒng)的一個缺點是生物酶DepA和DepB都需要輔助因子。輔助因子是酶發(fā)揮生理功能所必需的額外的非蛋白質(zhì)化合物。為了使Dep系統(tǒng)工作，DepA需要吡咯喹啉醌，DepB則需要還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）。

DepB的生化特性表明，它還可以利用還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），將3-keto-DON轉(zhuǎn)化為3-epi-DON，不過其催化效率比利用NADPH低40倍。然而，其優(yōu)點是NADH比NADPH更穩(wěn)定、更便宜。使用蛋白質(zhì)工程方法有可能改變酶對NADH的輔助因子偏好。分析DepB的X射線晶體結(jié)構(gòu)，是鑒定可能涉及NADPH特異性殘基的關(guān)鍵（圖4）。未來可對這些位置進行定點誘變，以提高酶對NADH的利用率，并將成本降到最低。此外，NADH還可以通過添加甲酸脫氫酶進行回收利用，該酶只需要廉價的底物甲酸鹽，并可產(chǎn)生CO2副產(chǎn)物。這項技術(shù)已被成功證明可以用于酶生成甜味劑蒜糖醇。

第二個需要解決的問題是Dep系統(tǒng)對pH的敏感性。動物飼料的pH介于3.6～5.0，這可能會影響酶的活性。目前，Dep系統(tǒng)在中性pH環(huán)境中最佳發(fā)揮作用，因此在使用這些酶對DON進行原位脫毒之前，可能需要提高動物飼料的pH。

5? 小結(jié)

總之，Dep系統(tǒng)為DON脫毒提供了一個令人興奮的新機會。該技術(shù)可以利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)，以降低與昂貴的輔助因子相關(guān)的成本。另外，如果單獨使用純酶過于昂貴，這些酶可以在其他宿主微生物中共同表達，而不是在原始微生物菌株中。這具有幾個優(yōu)點，例如酶發(fā)揮作用的微環(huán)境可控，不需要額外的輔助因子，而且這種方法比生產(chǎn)純酶更便宜，工作量更少。

原題名：Enzymes for the biodetoxification of DON（英文）

原作者：Nadine Abraham

王晶晶 譯自All About Feed，Vol.31（2023），№2：8～10

王祎汀 校