雷曉光團隊合作解析赤黴病抗性基因編碼蛋白Fhb7催化機制，開發出高效生物催化降解嘔吐毒素新方法

　　小麥赤黴病被稱為小麥“癌症”，是當今農業領域的世界性難題，嚴重威脅着糧食生産和食品安全。在當今氣候變化劇烈的時代下，赤黴病的發生也愈發嚴峻，給糧食經濟帶來了越來越嚴重的損失，使其成為各國政府尤為關注和亟待解決的重大問題。其中，誘導赤黴病發生的禾谷鐮刀菌所産生的嘔吐毒素（Deoxynivalenol，DON）能夠抑制蛋白質的合成，具有嚴重的毒性，被世界衛生組織定為三級緻癌物，給人和動物帶來了巨大的糧食安全問題。然而由于DON的結構穩定，使得利用傳統物理和化學的方法安全、高效地将其降解極具挑戰。

　　酶因其高效、反應條件溫和、環保等多方面的優勢，使其受到衆多研究者的青睐。雖然目前已有多個能夠降解嘔吐毒素的酶被發現，但尚未有酶被成功用在實際工業中。并且，目前已發現的所有降解酶都針對DON的3-OH，C9=C10進行氧化、乙酰化、糖基化等修飾實現DON毒性減弱，但是并未有能夠轉化其主要緻毒的C12/C13環氧基團實現DON解毒的酶被發現。直到2020年4月，山東農業大學孔令讓教授課題組在Science上報道了在小麥種質資源中可用的主效抗赤黴病基因Fhb7，引發了國際學術和農業界的廣泛關注（Science, 2020, 368, eaba5435）。Fhb7編碼一種谷胱甘肽轉移酶，能夠利用谷胱甘肽破壞關鍵緻毒C12/C13環氧基團實現DON的降解，這也是首個被報道的能夠破環DON環氧的酶，從而打開了酶法降解嘔吐毒素的新思路。然而，針對Fhb7的催化機制、熱穩定性等性質尚不清楚，極大地限制了對其工業價值的進一步開發和利用。

　　圖1. 酶法降解嘔吐毒素的方式

　　beat365官方网站雷曉光教授團隊與生命科學學院肖俊宇副教授團隊合作，首次解析了Fhb7的晶體結構，并且利用結構生物學、氫氘交換質譜、計算化學、生物化學等多學科交叉的手段詳細闡明了Fhb7的催化機制。為了解決Fhb7本身熱穩定性差的問題，雷曉光教授團隊采用定向進化和理性設計的方式對Fhb7進行改造，成功将其Tm值提升15℃，半衰期（_t1/2）延長近270倍，從而極大提升了其實際應用價值。最後，利用獲得的優良突變體，對飼料工業中允許使用的枯草芽孢杆菌進行菌株改造，實現了Fhb7在其中的成功表達和對DON的高效降解。該研究解決了将Fhb7用于飼料工業的熱穩定性問題，同時提出了利用合成生物學的手段構建工程有益菌，實現工業上降解嘔吐毒素的新思路。此外，也為利用合成生物學手段實現使用一種工程菌同時降解多種黴菌毒素奠定了堅實的研究方向和策略。

　　圖2. Fhb7催化機制、改造和應用

　　該工作以“Enzymatic degradation of deoxynivalenol with the engineered detoxification enzyme Fhb7”為題發表在國際權威期刊《美國化學會志-開放獲取期刊》《JACS Au》上(DOI: 10.1021/jacsau.3c00696)。

　　beat365雷曉光教授以及肖俊宇副教授為論文的共同通訊作者，雷曉光課題組博士研究生楊軍、肖俊宇課題組博士後梁凱博士為該論文的共同第一作者。雷曉光課題組博士研究生柯瀚、大連化物所張躍斌博士、上海藥物研究所孟乾博士、雷曉光課題組高磊和範俊萍副研究員也參與了相關研究工作。大連化物所李國輝研究員以及上海藥物研究所周虎研究員為該研究提出了重要指導。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合研究中心、北京市“卓越青年科學家計劃”、新基石基金會科學探索獎等項目和單位的資助。

　　《JACS Au》原文鍊接：Enzymatic degradation of deoxynivalenol with the engineered detoxification enzyme Fhb7

　　https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.3c00696