利用生物酶对脱氧雪腐镰刀菌烯醇进行生物脱毒

摘  要：安全有效地去除霉菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON），是确保食品安全的一件迫在眉睫的事。从具有DON脱毒活性的微生物中分离出的酶，为缓解这一问题提供了有应用前景的替代品。然而，在实用性应用这些酶之前，必须解决一些关键挑战。

关键词：脱氧雪腐镰刀菌烯醇；生物脱毒；生物酶

中图分类号：S816 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2023）04-00114-04

脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）俗称呕吐毒素，是由镰刀菌属的霉菌产生的一种有毒次级代谢产物。DON污染一直困扰着全球农产品（图1）。事实上，在一项为期10年的全球谷物霉菌毒素污染情况的调查中，发现DON是主要的霉菌毒素污染物，与伏马菌素和玉米赤霉烯酮等由其他镰刀菌属霉菌产生的霉菌毒素并列。气候的变化、非生物胁迫（如二氧化碳、温度、湿度）可能为镰刀菌提供有利的生长环境，从而进一步加剧DON对粮食的污染（图2）。

控制和降低DON的污染水平是确保食品安全的关键措施。毒理学研究表明，动物发生DON急性中毒后，会出现呕吐等症状；发生慢性中毒，则会暴发胃肠道疾病，导致免疫系统受损，生殖系统受到不良影响。尽管已经在农场水平上监测和控制DON的污染水平，但在作物收获后仍不可避免地需要采取物理和化学等措施去污染。遗憾的是，这些措施收效甚微，并可能会引入新的有毒化合物，而影响终端产品的营养价值和适口性。

1  向微生物学习：进攻是最好的防御

生物脱毒是霉菌毒素研究中一个不断发展的领域，是指利用新型微生物或它们分泌的酶将DON转化为毒性较低的物质。微生物已进化出一系列新型防御系统来对抗DON等霉菌毒素的固有毒性。

在分子水平上，DON会与核糖体紧密结合，从而抑制细胞合成蛋白质。促成这些相互作用的关键构造要素是DON的C3羟基和C12-13环氧化物环。微生物使用多种策略来改变这些功能基团，包括脱环氧化、氧化、差向异构化、水解、乙酰化、羟基化和糖基化。虽然可以直接利用这些微生物对DON进行脱毒，但负责脱毒的酶具有特异性优势，从而可以避免由其他微生物酶催化发生不必要的副反应。

一种很有应用前景的途径被称为DON差向异构化（DON epimerisation，Dep）系统，该系统首先在德沃斯氏菌17-2-E-8分离株上得到了广泛研究，它通过将DON转化为同分异构体3-epi-DON完成对DON的脱毒（图3）。这会阻碍DON与核糖体的结合。毒理学试验表明，3-epi-DON的毒性至少比DON低50倍。猪等家畜对日粮中DON的耐受性较低，但饲喂添加了3-epi-DON的日粮后，并未出现任何不良反应。

2  Dep系统脱毒所需的重要生物酶：DepA和DepB

Dep系统要发挥脱毒功能需要两种生物酶的参与。首先第一种生物酶DepA在DON的C3羟基位点对其氧化，生成化合物3-keto-DON。随后，第二种生物酶DepB与该化合物结合，最终将其转化为3-epi-DON。DepA对DON具有较高的催化效率，而DepB对3-keto-DON的催化效率较低。

Dep系统具有多种用途，很可能用于其他霉菌毒素的脱毒，不过还需要进行更多的研究加以探讨。最近的一项研究首次强调了一个事实，DepB可以将霉菌毒素展青霉素转化为毒性较低的产物——ascladiol，从而完成对该霉菌毒素的脱毒。然而，DepB对展青霉素的催化效率非常低，这为今后加快Dep系统的脱毒过程留下了很大的改进空间。Dep系统生物酶对隐蔽型霉菌毒素，包括15-乙酰DON也有活性。

3  Dep系统生物酶的应用

玉米副产品中的DON会严重影响畜牧业。玉米麸质饲料、玉米浆、玉米干酒槽及其可溶物含有丰富的营养物质，通常用作家畜饲料的原料。

遗憾的是，这些饲料原料所含的DON水平可能会超过规定的阈值。在这种情况下，使用Dep系统生物酶作为加工助剂，可以降低DON的含量。另外，这些生物酶还可对动物饲料中的DON进行脱毒，以降低霉菌毒素被家畜摄入后的生物利用率。

4  挑战

Dep系统的一个缺点是生物酶DepA和DepB都需要辅助因子。辅助因子是酶发挥生理功能所必需的额外的非蛋白质化合物。为了使Dep系统工作，DepA需要吡咯喹啉醌，DepB则需要还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）。

DepB的生化特性表明，它還可以利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），将3-keto-DON转化为3-epi-DON，不过其催化效率比利用NADPH低40倍。然而，其优点是NADH比NADPH更稳定、更便宜。使用蛋白质工程方法有可能改变酶对NADH的辅助因子偏好。分析DepB的X射线晶体结构，是鉴定可能涉及NADPH特异性残基的关键（图4）。未来可对这些位置进行定点诱变，以提高酶对NADH的利用率，并将成本降到最低。此外，NADH还可以通过添加甲酸脱氢酶进行回收利用，该酶只需要廉价的底物甲酸盐，并可产生CO2副产物。这项技术已被成功证明可以用于酶生成甜味剂蒜糖醇。

第二个需要解决的问题是Dep系统对pH的敏感性。动物饲料的pH介于3.6～5.0，这可能会影响酶的活性。目前，Dep系统在中性pH环境中最佳发挥作用，因此在使用这些酶对DON进行原位脱毒之前，可能需要提高动物饲料的pH。

5  小结

总之，Dep系统为DON脱毒提供了一个令人兴奋的新机会。该技术可以利用蛋白质工程技术，以降低与昂贵的辅助因子相关的成本。另外，如果单独使用纯酶过于昂贵，这些酶可以在其他宿主微生物中共同表达，而不是在原始微生物菌株中。这具有几个优点，例如酶发挥作用的微环境可控，不需要额外的辅助因子，而且这种方法比生产纯酶更便宜，工作量更少。

原题名：Enzymes for the biodetoxification of DON（英文）

原作者：Nadine Abraham

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

王祎汀 校