摘要：近日，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邢琼课题组在《Journal of Hazardous Materials》杂志上连续发表了两篇关于芳香族污染物生物降解的研究成果。研究聚焦于芳香族污染物生物降解过程中关键酶的结构与功能，为开发
近日，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邢琼课题组在《Journal of Hazardous Materials》杂志上连续发表了两篇关于芳香族污染物生物降解的研究成果。研究聚焦于芳香族污染物生物降解过程中关键酶的结构与功能，为开发高效的生物修复技术提供了重要的理论基础和实践指导。
芳香族化合物因其化学稳定性，在环境中难以自然降解，长期存在并对生态系统和人类健康构成威胁。生物降解作为一种有效的环境修复方法，通过微生物及其酶的作用将这些污染物分解为无害物质。其中，Rieske型芳香双加氧酶（RDOs）和外切双加氧酶（EDOs）在这一过程中发挥着关键作用。在大肠杆菌中，存在一条3-苯丙酸（3-PP）和肉桂酸（CI）的代谢降解途径，这其中RDOs和EDOs等酶扮演了关键的作用。
3-苯丙酸（3-PP）和肉桂酸（CI）代谢降解的途径示意图。
（一）Rieske型芳香双加氧酶HcaEF的结构与功能研究及理性改造
课题组首先聚焦于Rieske型芳香双加氧酶（RDOs），这类酶在微生物降解芳香烃类化合物中发挥关键作用。然而，由于其稳定性差、底物特异性有限以及生物降解速率低等问题，限制了其在工业和环境修复中的应用。研究团队通过冷冻电镜（cryo-EM）技术解析了3-苯丙酸（3-PP）和肉桂酸（CI）代谢降解的途径中的Rieske型芳香双加氧酶HcaEF的高分辨率六聚体结构，揭示了其在无底物和底物结合状态下的结构特征。基于结构信息，设计了用于提高HcaEF异源六聚体稳定性的Q73I突变体，显著提升了HcaEF酶的热稳定性和催化效率（提高~50%）。这种结构引导的设计突变稳定异源六聚体的稳定性的酶工程策略为其他Rieske型芳香双加氧酶的改造提供了新的思路，在其他芳香污染物的生物降解中具有广泛的应用前景。进一步，团队将Q73I突变体整合到大肠杆菌K-12中，显著提升了菌株对3-苯丙酸（3-PP）的降解能力。这一成果不仅证明了工程化酶在微生物代谢中的有效性，还为利用微生物降解环境污染物提供了新的策略。这种工程菌株的开发为环境生物修复和工业生物催化提供了新的工具，有望加速污染物的降解过程，降低生物修复的成本。研究成果以《Structure-guided engineering of a Rieske-type aromatic dioxygenase for enhanced consumption of 3-phenylpropionic acid inEscherichia coli》为题发表在《Journal of Hazardous Materials》杂志。湖北大学生命科学学院邢琼教授为本文通讯作者，青年教师蒋文学、研究生吴淼以及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院龚洲副研究员为共同第一作者。
文章链接：
https://authors.elsevier.com/a/1kozl15DSlZH0~
（二）外切双加氧酶MhpB的结构与催化机制研究
而后，课题组针对代谢途径下游的外切双加氧酶（EDO）MhpB进行了进一步的研究。MhpB的主要底物是儿茶酚，儿茶酚是多种芳香烃降解过程中的关键中间体，因此MhpB在环境修复中具有潜在应用价值。然而，此前关于MhpB的高分辨率结构信息较少，限制了对其底物特异性和催化机制的深入理解。研究通过冷冻电镜技术解析了MhpB的高分辨率结构，揭示了其十聚体构象和独特的催化腔室。研究团队通过定点突变技术调节了MhpB的底物特异性，成功开发了R212A突变体，使其对3-乙基儿茶酚和3-丙基儿茶酚的偏好性增强。此外，体内实验表明，野生型MhpB和R212A突变体均能在大肠杆菌中有效降解儿茶酚类化合物，为利用微生物进行环境修复提供了实验依据。研究成果以《Structural and catalytic insights into MhpB: A dioxygenase enzyme for degrading catecholic pollutants》为题发表在《Journal of Hazardous Materials》杂志。湖北大学生命科学学院邢琼教授、董旭副教授为本文通讯作者，董旭副教授、研究生徐满丽、吴淼、青年教师王莹为共同第一作者。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425003437?dgcid=author
两项研究均通过结构生物学和酶工程技术，深入探究了芳香烃降解相关酶的催化机制和底物特异性，并成功开发出具有更高活性和更好稳定性的酶突变体。这些成果不仅丰富了我们对RDOs和EDOs这两类重要酶系的认识，还为利用生物技术解决环境污染问题提供了新的工具和策略。未来，随着更多相关酶的结构解析和工程改造，有望进一步拓展生物降解技术在环境修复和可持续发展领域的应用范围，为应对全球环境挑战贡献更多科技力量。
邢琼教授团队长期致力于综合运用结构生物学中的液体核磁共振、X射线晶体衍射和冷冻电子显微镜技术，并结合其他生物物理和生物化学方法，深入解析细菌三型分泌系统超分子纳米机器的结构基础和功能机制，以及酶的结构解析与改造等关键领域。为理解微生物致病机制和开发新型生物技术提供了重要的理论支持。
来源：科学培训
