酶可用于鑒別細菌產(chǎn)生的惡臭分子3-甲基吲哚——糞臭

最近，一個中美合作團隊感受到了成功的甜頭：他們發(fā)現(xiàn)了一種標(biāo)志性的酶，可以用來識別惡臭分子3-甲基吲哚——。研究結(jié)果可能有助于開發(fā)抑制這種惡臭分子活性的方法。

"簡單來說，我們的發(fā)現(xiàn)解釋了為什么動物糞便會發(fā)臭."該研究的合著者、天津大學(xué)生物化學(xué)家張燕在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示。雖然早就知道糞便氣味物質(zhì)是由色氨酸發(fā)酵的，但在此之前，催化其形成的酶是未知的。

利用比較基因組學(xué)，研究人員發(fā)現(xiàn)吲哚乙酸脫羧酶可能被用作遺傳標(biāo)記，以識別產(chǎn)生糞便氣味的環(huán)境細菌和與人類相關(guān)的細菌。這一成果增加了不斷增長的甘氨酰自由基酶超家族化學(xué)文庫，將進一步影響人類健康和畜牧業(yè)。

厭氧催化

"糞便氣味劑是一種有臭味的化合物，是人或動物糞便特有氣味的來源."張燕說，“當(dāng)空氣中的糞臭素達到0.00056ppm (ppm)或0.0030 mg/m3時，人的鼻子就能識別出糞臭素的獨特氣味?！?

除臭劑起源于細菌代謝，其生化途徑對了解人類健康及相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。厭氧菌會將芳香族氨基酸發(fā)酵成各種化合物，使其保持穩(wěn)定的芳香環(huán)。當(dāng)生活在厭氧環(huán)境(人/動物腸道)的細菌產(chǎn)生這些化合物時，會在宿主體內(nèi)積累，濃度會達到亞毫摩爾，產(chǎn)生生理或病理效應(yīng)。

糞元素還會使一些豬肉制品散發(fā)出怪味(野豬味)，導(dǎo)致豬肉或豬油質(zhì)量差。同時，它也是一種潛在的肺毒素，可能導(dǎo)致牛的肺癌和呼吸道疾病。此外，糞臭作為一種誘導(dǎo)蚊子產(chǎn)卵的化合物，在促進絲蟲病、腦炎和西尼羅病毒等媒介傳播感染的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用。

“雖然這種化學(xué)反應(yīng)與人類生活環(huán)境和畜牧業(yè)有關(guān)，但對氧氣非常敏感，因此了解其催化機制非常具有挑戰(zhàn)性。”張艷說。與美國伊利諾伊大學(xué)教授、上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院人類研究所研究員趙合作，專注于厭氧菌自由基化學(xué)的研究。

研究小組發(fā)現(xiàn)，細菌通過降解色氨酸產(chǎn)生糞便氣味。這種生化途徑的最后一步依賴于一種以前未知的酶——吲哚乙酸脫羧酶(IAD)?！斑胚狒人峄衔锏拿擊仁且环N自由基反應(yīng)，化學(xué)上很難實現(xiàn)。據(jù)我們所知，只能由IAD來做?！痹撗芯康暮现呲w慧敏在一封電子郵件中告訴《中國科學(xué)報》記者。

據(jù)報道，由于自由基沒有配對的電子，很容易得到和失去電子，從而與其他任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以它們的壽命很短，只有幾毫秒甚至幾微秒。“但生命進化過程中的一些酶可以通過蛋白質(zhì)折疊將自由基折疊成蛋白質(zhì)，這樣就不會那么短命，甚至可能是穩(wěn)定的，并催化困難的化學(xué)反應(yīng)，如本研究中的脫羧。”張艷說。

本文發(fā)現(xiàn)的新甘氨酸自由基酶——IAD就是這樣的。研究人員在大腸桿菌中表達這種酶，然后喂它一些吲哚乙酸鹽，然后通過氣相色譜證實“獎勵”是糞便氣味。

遺傳標(biāo)記

未來，IAD可作為判斷糞臭存在的標(biāo)志。“為了將來在新測序的細菌中鑒定這種酶的存在，我們只需要將序列與這些具有已知功能的IAD進行比較，看看活性口袋中的殘基是否保守?！壁w告訴記者《中國科學(xué)報》。

“在新的研究中，糞便氣味劑恰好具有揮發(fā)性，其強烈的氣味是細菌代謝旺盛的標(biāo)志，人體已經(jīng)進化到對這種氣味敏感。”趙慧敏補充說，“基于IAD的DNA序列，人們還可以通過DNA測序快速確定人類和環(huán)境樣本中是否存在產(chǎn)生糞便氣味的細菌?！?

在一個巨大的細菌基因組數(shù)據(jù)庫中搜索和分析后，研究小組發(fā)現(xiàn)了另外12種產(chǎn)生相同IAD的細菌。沒想到，其中一種是從人類口腔牙齒和牙齦間隙中分離出來的細菌?！斑@可以解釋口臭的味道。”張艷說。

自由基本身對氧氣非常敏感，只有在腸道的厭氧環(huán)境中才能被穩(wěn)定和催化。但是口腔里有氧氣，最多只是厭氧。為什么有些細菌會有這種化學(xué)反應(yīng)？張燕推測，這可能是因為它們形成了生物膜。

趙說，抗生素的使用現(xiàn)在有爭議。目前，很少有抗生素只針對一種細菌。廣譜和窄譜抗生素均可殺滅多種細菌，改變?nèi)梭w腸道菌群結(jié)構(gòu)，進而對健康造成不良影響?！八裕詈灭B(yǎng)成良好的口腔衛(wèi)生習(xí)慣?！彼f。

阻塞活動

“理論上，識別IAD將有助于開發(fā)一種抑制劑來阻斷其活性，從而抑制豬肉或糞便中糞便氣味物質(zhì)的產(chǎn)生?！睆埰G說。有助于解決糞便氣味和豬肉氣味的問題，也有助于解決牛等反芻動物大面積積水，以及通過糞便氣味吸引蚊子產(chǎn)卵傳播疾病的問題。

鑒定出含有IAD的細菌后，可以考慮對其進行靶向清理。“可以對‘菌或酶’下藥，阻斷糞臭素的生成。”趙素文說。

“比如采用IAD的特異抑制劑。”趙惠民舉例說。他表示，IAD的催化反應(yīng)是色氨酸降解途徑中產(chǎn)生能量的最后一步，更好地理解這個代謝通路還有助于創(chuàng)造一種不適合糞臭素合成的環(huán)境。

“我們可以設(shè)計一些有效策略，比如可以用糞臭素產(chǎn)生菌的親緣菌替代它們，或者用遺傳改造過的缺失IAD的菌株來替代，并且可以注冊為益生菌，也可以用特異的小分子抑制劑阻斷IAD的反應(yīng)途徑。”趙惠民說。

他表示，合作團隊將繼續(xù)研究IAD的催化機理及其在細菌代謝中的作用，研究與IAD有關(guān)的厭氧酶，進一步探索人體微生物菌群中厭氧菌產(chǎn)生的小分子化合物庫，因為研究人員認(rèn)為這些小分子很可能與人體健康息息相關(guān)。

甘氨酰自由基蛋白家族功能未知的成員還很多，作者表示，下一步，團隊將繼續(xù)探究這個蛋白家族的未解之謎。據(jù)了解，目前合作團隊正在進行的另一項研究與飲食和放屁有關(guān)，其中涉及到腸道菌產(chǎn)生的一種重要的人體氣體信號分子。“該分子與癌癥和發(fā)炎存在關(guān)聯(lián)，我們正在了解其代謝通路。”張雁透露。