赭曲霉毒素A是由曲霉属、青霉属等有害真菌合成的毒性次级代谢产物，产生于小麦、玉米、茶叶、咖啡等农作物的田间生长、采后储藏、生产加工等多个环节，具有致癌、致突变、致畸形等毒副作用，严重威胁人类和牲畜健康。
湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授团队，解析了酰胺水解酶ADH3及其与赭曲霉毒素A复合体的冷冻电镜结构，阐明了ADH3催化赭曲霉毒素A水解脱毒的分子作用机制，并通过分子改造大幅提升ADH3对赭曲霉毒素A的水解效率。该成果近日发表在国际期刊《危险材料杂志》上。
赭曲霉毒素A含量是食品质量与安全的重要控制指标，联合国粮农组织和世界卫生组织建议赭曲霉毒素A的周摄入量按照体重计算，不超过100纳克/公斤。我国食品安全国家标准规定了谷物等粮食及制品中赭曲霉毒素A的限量标准为5微克/公斤。
因此，如何实现赭曲霉毒素A的高效、安全降解与脱毒，对保障食品安全和人类生命健康具有重要意义。
“生物酶催化赭曲霉毒素A分子内的酰胺键水解，生成无毒性的苯丙氨酸和赭曲霉素α，是目前公认的最有效的赭曲霉毒素A脱毒途径，具有特异性强、安全性高、营养损失小等特点，也是当前赭曲霉毒素A脱毒研究的热点。”郭瑞庭介绍，然而，目前发现的参与赭曲霉毒素A水解脱毒的羧肽酶、脂酶、蛋白酶的催化效率较低，难以推广使用。
（A）ADH3与赭曲霉毒素A的复合体结构，ADH3为八聚体；（B）ADH3与赭曲霉毒素A的氨基酸作用网络。
2022年，中国的研究团队从一株高效降解赭曲霉毒素A的嗜酸寡养单胞菌中，筛选获得一个迄今最为高效的赭曲霉毒素A水解酶ADH3，ADH3对赭曲霉毒素A的水解活性较之前报道的羧肽酶、脂酶等高约50—30000倍。
那么ADH3三维结构和底物作用方式如何决定其对赭曲霉毒素A的高水解效率？如何进一步设计和分子改造ADH3，以进一步提升其对赭曲霉毒素A的催化性能？
为了阐明上述关键科学与应用问题，郭瑞庭团队通过单颗粒冷冻电镜技术解析了分辨率为2.5的ADH3与赭曲霉毒素A的复合体结构，揭示了ADH3与赭曲霉毒素A的结合模式与分子作用机制。
ADH3理性设计与分子改造。
在获得了ADH3与赭曲霉毒素A的精细三维结构模型后，郭瑞庭团队进一步对ADH3与赭曲霉毒素A的结合口袋进行结构分析与理性设计，通过对氨基酸位点S88、L218和V357进行突变，以增强ADH3与赭曲霉毒素A之间的亲水作用力或者芳香环堆积力，最终成功获得了一个对赭曲霉毒素A水解效率大幅提升4倍的突变体蛋白ADH3-S88E。
在成功获得ADH3-S88E突变体后，郭瑞庭团队进一步以毕赤酵母（食品安全级工业表达菌株）为底盘细胞，构建了高效分泌表达ADH3和ADH3-S88E突变体的重组毕赤酵母菌株。酶活测试发现在毕赤酵母和大肠杆菌两套表达系统中，表达的ADH3和ADH3-S88E酶活相当。
“接下来我们还将进一步对毕赤酵母进行蛋白表达量筛选和发酵条件优化，开展ADH3-S88E在不同应用场景下的赭曲霉毒素A水解脱毒工艺优化研究，为谷物原料中的赭曲霉毒素A脱毒研究提供高效的酶制剂。”论文第一作者、湖北大学戴隆海副教授表示。