Экспериментальный

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 860 (2023) Цитировать эту статью

1034 доступа

2 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы изучаем лакказо-опосредованную детоксикацию афлатоксинов, грибковых канцерогенных пищевых примесей. Наше экспериментальное сравнение двух афлатоксинов со схожей структурой (AFB1 и AFG2) показывает значительные различия в детоксикации, опосредованной лакказой. Подход к многомасштабному моделированию (докинг, молекулярная динамика и теория функционала плотности) выявляет в высшей степени специфичные для субстрата изменения, необходимые для улучшения эффективности детоксикации лакказы. Мы используем крупномасштабный подход, основанный на теории функционала плотности, включающий более 7000 атомов, для идентификации аминокислотных остатков, которые определяют сродство лакказы к афлатоксинам. Из этого исследования мы пришли к выводу: (1) AFB1 труднее поддается деградации, вплоть до полной остановки деградации; (2) AFG2 легче расщепляется лакказой из-за отсутствия побочных продуктов и благоприятной динамики связывания; и (3) существуют широкие возможности оптимизации лакказы для деградации афлатоксина, особенно посредством мутаций, приводящих к π-π-стекированию. Это исследование определяет способ оптимизации лакказы для биоремедиации афлатоксина и, в более общем плане, вносит вклад в исследовательские усилия, направленные на рациональную оптимизацию ферментов.

Афлатоксины представляют собой опасные вторичные метаболиты грибов, которые регулярно загрязняют такие культуры, как кукуруза, рис, пшеница и арахис1. Афлатоксины производятся грибами рода Aspergillus и являются одними из наиболее канцерогенных природных загрязнителей2. Загрязнение афлатоксинами является серьезной проблемой безопасности пищевых продуктов. Стратегии физической и химической детоксикации существуют, но они могут отрицательно влиять на качество продуктов питания и быть дорогостоящими, ненадежными или небезопасными3,4. В целях разработки более безопасных альтернатив было предложено восстановление пищевых продуктов с помощью экологически чистых ферментов5. С этой целью лакказа была признана хорошим кандидатом6,7,8.

Лакказа представляет собой фермент, представляющий общий интерес для биотехнологии9,10. Это мономерная мультимедная оксидаза, катализирующая одноэлектронное окисление в сочетании с полным восстановлением молекулярного кислорода до воды. Активный центр состоит из трех центров связывания меди с разными спектроскопическими и функциональными свойствами. Синяя медь типа 1 является акцептором электронов с подложки; трехъядерный кластер, образованный медью типа 2 и биядерной медью типа 3, является местом связывания и восстановления кислорода11. Лакказа таксономически распространена12 и функционально универсальна: ее широкая толерантность к субстрату делает ее подходящей для промышленного применения9. Среди природных вариантов грибные лакказы имеют самый высокий окислительно-восстановительный потенциал (E°), до 800 мВ, у меди 1-го типа12. В нескольких существующих сообщениях уже идентифицированы бактериальные и грибковые лакказы, которые взаимодействуют с афлатоксинами6,13,14,15,16,17; однако даже самым активным изоформам не хватает времени и затрат, чтобы удовлетворить текущие потребности детоксикации афлатоксина в пищевой и кормовой промышленности. Предыдущие исследования были сосредоточены на оптимизации лакказы для различных функций посредством рационального дизайна или направленной эволюции18,19,20. В конкретном контексте деградации афлатоксинов молекулярный докинг позволил понять механизм21, трехмерный структурный анализ различных изоформ оценил взаимодействие с афлатоксинами7, а мутационный анализ выявил полезные изменения22.

В этой работе мы объединяем экспериментальные и вычислительные подходы, чтобы проложить путь к рациональной оптимизации лакказы как биоремедиатора афлатоксина с акцентом на афлатоксин B1 (AFB1), наиболее канцерогенный конгенер. Мы используем лакказу из Trametes versicolor (TV), вида грибов, экологическая ниша которого ориентирована на деградацию лигнина, опосредованную лакказой23. Мы проводим углубленный анализ детоксикации основной молекулы-мишени, AFB1, с помощью TV-лакказы, чтобы выявить механизмы, лежащие в основе узких мест реакции. Наши данные также включают эксперименты с конгенером AFB1, афлатоксином G2 (AFG2). Подчеркивая значительные различия в активности лакказы в отношении AFB1 и AFG2, несмотря на их структурное сходство, мы подразумеваем, что улучшение сродства не может быть достигнуто за счет специализации фермента на общей категории соединений (например, углеводородах, ароматических нефенольных структурах или даже афлатоксинах как категории). ). Поэтому мы проводим обширную и высокодетализированную квантово-механическую (QM) характеристику всей структуры TV-лакказы, связанной с AFB1 и AFG2, включая около 7000 атомов. Мы предсказываем, что определенные отдельные аминокислотные остатки будут неоптимальны для деградации афлатоксина, и предлагаем соответствующие структурные изменения для устранения узких мест реакции.