近日，一個中美合作團隊感受到了成功帶來的甜蜜氣息：他們找到一種標誌性的酶，可用於鑑定細菌產生的惡臭分子3-甲基吲哚——糞臭素。研究結果或有助於研發抑制這種惡臭分子活性的方法。
「簡單地說，我們的發現解釋了動物糞便為什麼會發出臭味的問題。」研究共同通訊作者、天津大學生物化學家張雁在接受《中國科學報》採訪時說。儘管人們一直以來知道糞臭素是由細菌色氨酸發酵而來，但在此之前，對催化其形成的酶卻並不了解。
研究人員利用比較基因組學的方法，發現吲哚乙酸脫羧酶或可作為一種遺傳標記，用於鑑定產生糞臭素的環境細菌以及與人相關聯的細菌。該成果增加了甘氨醯基自由基酶超級家族不斷增長的化學庫，將進一步對人類健康和畜牧業產生影響。
厭氧催化
「糞臭素是一種惡臭化合物，是人或動物糞便特有氣味的來源。」張雁說，「當空氣中的糞臭素達到0.00056ppm(百萬分之一)或0.0030 mg/m3時，人的鼻子就能辨別出糞臭素獨特的氣味。」
糞臭素起源於細菌代謝，其產生的生化途徑對了解人類健康及相關農業生產具有重要意義。厭氧細菌會將芳香胺基酸發酵成多種化合物，使其保持穩定的芳香環。當生活在厭氧環境(人/動物腸道)中的細菌產生這些化合物時，它們會在宿主體內累積，濃度達到亞毫摩爾，產生生理或病理效應。
糞臭素還能讓一些豬肉製品散發出怪味(公豬羶味)，導致豬肉或豬油質量差。同時，它還是一種潛在的肺毒素，可能導致肺癌以及牛呼吸道疾病。此外，糞臭素作為誘導蚊子產卵的化合物，對絲蟲病、日本腦炎和西尼羅河病毒等蟲媒人感染病的發生和發展起著促進作用。
「儘管這個化學反應和人類的生存環境以及畜牧業存在種種關聯，但因為它對氧氣非常敏感，因而了解它的催化機制具有很大的挑戰性。」張雁說。他與美國伊利諾伊大學教授趙惠民、上海科技大學生命科學與技術學院iHuman研究所研究員趙素文團隊等合作，聚焦研究厭氧菌裡的自由基化學。
合作團隊發現，細菌通過降解色氨酸生成糞臭素，這一生化途徑的最後一步依賴於一種此前未知的酶——吲哚乙酸脫羧酶(IAD)。「吲哚羧酸化合物脫羧是一種自由基反應，在化學上很難實現。據我們所知，只能由IAD完成。」研究共同通訊作者趙惠民在電子郵件中告訴《中國科學報》記者。
據介紹，由於自由基沒有配對的電子，很容易得到電子和失去電子，從而與任何其他物質反應，因此其壽命非常短暫，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摺疊把自由基摺疊到蛋白質中，從而讓它不那麼短命，甚至可能很穩定，催化很難的化學反應，如這項研究中的脫羧反應。」張雁說。
這篇論文中發現的新甘氨酸自由基酶——IAD正是如此。研究人員在大腸桿菌中表達了這種酶，然後餵給它一些吲哚乙酸鹽，隨後用氣相色譜法確認所得到的「獎勵」正是糞臭素。
遺傳標誌
未來，IAD可以作為判斷糞臭素存在的標誌。「在未來新測序的細菌中要鑑定該酶是否存在只需要和這些功能已知的IAD進行序列比對，看活性口袋的殘基是否保守即可。」趙素文告訴《中國科學報》記者。
「在新研究中，糞臭素恰巧是揮發性的，它的強烈氣味是細菌代謝旺盛的標誌，並且人體也已經演化出了對這種氣味的敏感。」趙惠民補充說，「基於IAD的DNA序列，人們還可以通過DNA測序快速確定人體和環境樣品中是否存在糞臭素產生菌。」
在一個龐大的細菌基因組資料庫中進行搜索分析後，研究小組發現了產生相同IAD的另外12種細菌。出乎意料的是，其中之一是從人口腔牙齒和牙齦之間的縫隙中分離出來的細菌。「這可以解釋口臭的氣味。」張雁說。
自由基酶本身對氧氣非常敏感，只有在腸道無氧的環境下才能夠穩定和催化。而口腔中存在氧氣，最多只是厭氧環境，為什麼有些菌會發生這一化學反應呢?張雁推測，這可能是因為它們形成了一種生物膜。
對於如何抑制這種化學反應，從而阻止口臭，趙素文表示，抗生素的使用現在爭議較大，目前只針對某一種細菌的抗生素還很少，不論廣譜還是窄譜抗生素都可以殺死多種細菌，改變人體腸道菌群的結構，進而對健康造成不良影響。「所以，最好還是養成良好的口腔衛生習慣。」她說。
阻斷活性
「在理論上講，識別出IAD將有助於開發一種抑制劑阻斷其活性，從而抑制豬肉或糞便中糞臭素的產生。」張雁說。它有助於解決糞便臭味和豬肉羶味的問題，還有助於解決牛群等反芻動物的大面積肺積水以及通過糞臭素吸引蚊子產卵從而傳播疾病等問題。
鑑定出含有IAD的細菌後，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。
「比如採用IAD的特異抑制劑。」趙惠民舉例說。他表示，IAD的催化反應是色氨酸降解途徑中產生能量的最後一步，更好地理解這個代謝通路還有助於創造一種不適合糞臭素合成的環境。
「我們可以設計一些有效策略，比如可以用糞臭素產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，並且可以註冊為益生菌，也可以用特異的小分子抑制劑阻斷IAD的反應途徑。」趙惠民說。
他表示，合作團隊將繼續研究IAD的催化機理及其在細菌代謝中的作用，研究與IAD有關的厭氧酶，進一步探索人體微生物菌群中厭氧菌產生的小分子化合物庫，因為研究人員認為這些小分子很可能與人體健康息息相關。
甘氨醯自由基蛋白家族功能未知的成員還很多，作者表示，下一步，團隊將繼續探究這個蛋白家族的未解之謎。據了解，目前合作團隊正在進行的另一項研究與飲食和放屁有關，其中涉及到腸道菌產生的一種重要的人體氣體信號分子。「該分子與癌症和發炎存在關聯，我們正在了解其代謝通路。」張雁透露。