酶可用于鉴别细菌产生的恶臭分子3-甲基吲哚——粪臭

最近，一个中美合作团队感受到了成功的甜头：他们发现了一种标志性的酶，可以用来识别恶臭分子3-甲基吲哚——。研究结果可能有助于开发抑制这种恶臭分子活性的方法。

"简单来说，我们的发现解释了为什么动物粪便会发臭."该研究的合著者、天津大学生物化学家张燕在接受《中国科学报》采访时表示。虽然早就知道粪便气味物质是由色氨酸发酵的，但在此之前，催化其形成的酶是未知的。

利用比较基因组学，研究人员发现吲哚乙酸脱羧酶可能被用作遗传标记，以识别产生粪便气味的环境细菌和与人类相关的细菌。这一成果增加了不断增长的甘氨酰自由基酶超家族化学文库，将进一步影响人类健康和畜牧业。

厌氧催化

"粪便气味剂是一种有臭味的化合物，是人或动物粪便特有气味的来源."张燕说，“当空气中的粪臭素达到0.00056ppm (ppm)或0.0030 mg/m3时，人的鼻子就能识别出粪臭素的独特气味。”

除臭剂起源于细菌代谢，其生化途径对了解人类健康及相关农业生产具有重要意义。厌氧菌会将芳香族氨基酸发酵成各种化合物，使其保持稳定的芳香环。当生活在厌氧环境(人/动物肠道)的细菌产生这些化合物时，会在宿主体内积累，浓度会达到亚毫摩尔，产生生理或病理效应。

粪元素还会使一些猪肉制品散发出怪味(野猪味)，导致猪肉或猪油质量差。同时，它也是一种潜在的肺毒素，可能导致牛的肺癌和呼吸道疾病。此外，粪臭作为一种诱导蚊子产卵的化合物，在促进丝虫病、脑炎和西尼罗病毒等媒介传播感染的发生和发展中起着重要作用。

“虽然这种化学反应与人类生活环境和畜牧业有关，但对氧气非常敏感，因此了解其催化机制非常具有挑战性。”张艳说。与美国伊利诺伊大学教授、上海科技大学生命科学与技术学院人类研究所研究员赵合作，专注于厌氧菌自由基化学的研究。

研究小组发现，细菌通过降解色氨酸产生粪便气味。这种生化途径的最后一步依赖于一种以前未知的酶——吲哚乙酸脱羧酶(IAD)。“吲哚羧酸化合物的脱羧是一种自由基反应，化学上很难实现。据我们所知，只能由IAD来做。”该研究的合著者赵慧敏在一封电子邮件中告诉《中国科学报》记者。

据报道，由于自由基没有配对的电子，很容易得到和失去电子，从而与其他任何物质发生反应，所以它们的寿命很短，只有几毫秒甚至几微秒。“但生命进化过程中的一些酶可以通过蛋白质折叠将自由基折叠成蛋白质，这样就不会那么短命，甚至可能是稳定的，并催化困难的化学反应，如本研究中的脱羧。”张艳说。

本文发现的新甘氨酸自由基酶——IAD就是这样的。研究人员在大肠杆菌中表达这种酶，然后喂它一些吲哚乙酸盐，然后通过气相色谱证实“奖励”是粪便气味。

遗传标记

未来，IAD可作为判断粪臭存在的标志。“为了将来在新测序的细菌中鉴定这种酶的存在，我们只需要将序列与这些具有已知功能的IAD进行比较，看看活性口袋中的残基是否保守。”赵告诉记者《中国科学报》。

“在新的研究中，粪便气味剂恰好具有挥发性，其强烈的气味是细菌代谢旺盛的标志，人体已经进化到对这种气味敏感。”赵慧敏补充说，“基于IAD的DNA序列，人们还可以通过DNA测序快速确定人类和环境样本中是否存在产生粪便气味的细菌。”

在一个巨大的细菌基因组数据库中搜索和分析后，研究小组发现了另外12种产生相同IAD的细菌。没想到，其中一种是从人类口腔牙齿和牙龈间隙中分离出来的细菌。“这可以解释口臭的味道。”张艳说。

自由基本身对氧气非常敏感，只有在肠道的厌氧环境中才能被稳定和催化。但是口腔里有氧气，最多只是厌氧。为什么有些细菌会有这种化学反应？张燕推测，这可能是因为它们形成了生物膜。

赵说，抗生素的使用现在有争议。目前，很少有抗生素只针对一种细菌。广谱和窄谱抗生素均可杀灭多种细菌，改变人体肠道菌群结构，进而对健康造成不良影响。“所以，最好养成良好的口腔卫生习惯。”她说。

阻塞活动

“理论上，识别IAD将有助于开发一种抑制剂来阻断其活性，从而抑制猪肉或粪便中粪便气味物质的产生。”张艳说。有助于解决粪便气味和猪肉气味的问题，也有助于解决牛等反刍动物大面积积水，以及通过粪便气味吸引蚊子产卵传播疾病的问题。

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鉴定出含有IAD的细菌后，可以考虑对其进行靶向清理。“可以对‘菌或酶’下药，阻断粪臭素的生成。”赵素文说。

“比如采用IAD的特异抑制剂。”赵惠民举例说。他表示，IAD的催化反应是色氨酸降解途径中产生能量的最后一步，更好地理解这个代谢通路还有助于创造一种不适合粪臭素合成的环境。

“我们可以设计一些有效策略，比如可以用粪臭素产生菌的亲缘菌替代它们，或者用遗传改造过的缺失IAD的菌株来替代，并且可以注册为益生菌，也可以用特异的小分子抑制剂阻断IAD的反应途径。”赵惠民说。

他表示，合作团队将继续研究IAD的催化机理及其在细菌代谢中的作用，研究与IAD有关的厌氧酶，进一步探索人体微生物菌群中厌氧菌产生的小分子化合物库，因为研究人员认为这些小分子很可能与人体健康息息相关。

甘氨酰自由基蛋白家族功能未知的成员还很多，作者表示，下一步，团队将继续探究这个蛋白家族的未解之谜。据了解，目前合作团队正在进行的另一项研究与饮食和放屁有关，其中涉及到肠道菌产生的一种重要的人体气体信号分子。“该分子与癌症和发炎存在关联，我们正在了解其代谢通路。”张雁透露。