湯曉玲，鄭仁朝，鄭裕國

(浙江工業(yè)大學生物工程學院浙江省生物有機合成技術研究重點實驗室,浙江 杭州 310014)

腈水解酶屬于腈化合物代謝酶系中的一種，能夠催化有機腈水解生成羧酸和氨[1]。腈水解酶具有獨特的化學、區(qū)域和立體選擇性，反應條件溫和，環(huán)境友好，是制備高附加值羧酸的“綠色”選擇[2]。腈水解酶在醫(yī)藥、環(huán)保、化工、食品和紡織農業(yè)等領域獲得廣泛應用[3-8]。浙江工業(yè)大學研究團隊于2003年參加了歐陽平凱院士任首席科學家的國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“生物催化和生物轉化中關鍵問題的基礎研究(2003CB716000)”中課題五“腈水合反應和腈水解反應的方法學及催化機理”的研究，對腈水解酶的篩選、改造、表征和催化機制等進行了系統(tǒng)研究，并將其應用于醫(yī)藥和農藥等工業(yè)化生產，先后建成(R)-扁桃酸、加巴噴丁、普瑞巴林和2-氯煙酸等醫(yī)藥和農藥化學品的規(guī)?；a裝置，成為國際上腈水解酶研究開發(fā)成功的單位之一[9]。隨著高端醫(yī)藥、農藥和材料對復雜(手性)羧酸化合物需求的迅速增長，腈水解酶在高端精細化學品合成中展現出日益巨大的應用潛力。所以開展腈水解酶催化機制解析及催化性能調控研究，對提升腈水解酶工業(yè)應用屬性，拓寬其應用范圍具有重要意義。

1 腈水解酶的來源與分類

腈水解酶由Thimann等[10]于1964年首次從大麥葉中分離得到，具有水解吲哚乙腈的活性。此外，該酶還對26種不同的腈化合物具有水解活性。由此這類酶被命名為腈水解酶[11]。Hook等[12]以蓖麻堿為碳源，篩選得到產腈水解酶的微生物(來源于Pseudomonas)。此后，以腈化合物為唯一碳源或氮源，在細菌和真菌中均發(fā)現了腈水解酶，包括假單胞菌屬、不動桿菌屬、紅球菌屬、產堿桿菌屬、諾卡菌屬等細菌來源的腈水解酶[13-14]；赤霉菌、紅球線蟲、鐮刀菌、黑曲霉等真菌來源的腈水解酶[15-17]；水稻、煙草、玉米、擬南芥等植物來源的腈水解酶[18-19]。據不完全統(tǒng)計，已發(fā)現的腈水解酶來源近50種[20]。

根據腈水解酶催化的腈化合物結構，可將其分為三類[21]：①能夠作用于脂肪腈(丙烯腈和戊二睛)的脂肪族腈水解酶(aliphatic nitrilase)；②能夠水解芳香族腈(苯甲腈)的芳香族腈水解酶(aromatic nitrilase)；③能夠水解含酰基官能團腈類化合物(?；译?的腈水解酶(acyl nitrilase)。但進一步研究發(fā)現，有些腈水解酶表現出比較廣泛的底物適應性，如Rhodococcussp.NDB1165來源的腈水解酶對芳香族和脂肪族腈類化合物均具有水解活性[22]；Syechocystissp.PCC6803 來源腈水解酶既對富馬腈、丁腈等脂肪族腈類具有活性，同時又對苯乙腈等芳香族腈以及 2-氰基吡啶和3-氰基吡啶等雜環(huán)類腈具有催化活性[23]。

2 腈水解酶的催化機制

在對腈水解酶研究的早期，由于腈水解酶晶體結構少，學者們只能通過對腈水解酶序列的比對分析，結合腈水解酶超家族的晶體結構，推測腈水解酶序列和結構特征關系。近幾十年來，Syechocystissp.PCC6803 腈水解酶Nit6803(PDB：3WUY)、Pyrococcus abyssiGE5腈水解酶PaNit(PDB：3IVZ)和擬南芥腈水解酶NIT4(AtNIT4，PDB：6I00)等晶體結構被研究解析：腈水解酶單亞基蛋白是一種αββα三明治結構，一般都含有保守的催化三聯體Glu-Lys-Cys[24]，在溶液中，腈水解酶亞基圍繞特殊的“A”界面形成αββα-αββα二聚體結構[25]。該界面之間的鹽橋、疏水作用等作用維持了腈水解酶二聚體的穩(wěn)定[26-27]。腈水解酶的二聚體結構是低聚化形成具有活性的多聚體的主要單元[28]。除了Fusarium solani、Arthrobactersp.J1和Rhodococcus rhodochrousPA-34等少數腈水解酶以單聚體或者二聚體形式存在之外[24,29]，大部分腈水解酶具有催化活性的多聚體單元由4～22個亞基組成(呈月牙形、八字形、環(huán)形或者C字形)[24-25,30-31]。腈水解酶還包含C界面、D界面和F界面等一些特殊作用界面(圖1)，如果其A界面、C界面的氨基酸被替換后可引起腈水解酶活性、立體選擇性、熱穩(wěn)定性和底物特異性等性能的變化[3,32-33]。

圖1 腈水解酶AtNIT4晶體結構以及A、C等特殊界面[34]Fig.1 Crystal structure of nitrilase AtNIT4 and the interfaces(A,C) of the nitrilase monomers in the supramolecular spirals or helices[34]

目前，腈水解酶的催化機制尚未完全明確。最早提出、也最被廣泛認可的腈水解酶催化機制認為：腈水解酶一般含有保守的催化位點Glu、Lys和Cys，底物進入活性中心后，Cys 殘基上的巰基首先攻擊底物氰基上的α碳原子，形成酶-亞胺復合物，隨后 Glu 殘基提供質子轉移給酶-亞胺復合物，氮原子得到質子后消除亞胺結構并釋放 NH+4并產生1分子羧酸(圖2，pathway A)[35]。在此過程中，Glu增強了對巰基的親核性，并參與質子轉移過程，而Lys則起到穩(wěn)定四面體結構的作用[36-37]。一般認為，腈水解酶僅會專一性地催化腈水解生成羧酸和氨，但現在研究發(fā)現一些腈水解酶同時具有腈水合活性(即催化反應的產物包括酰胺和羧酸)[38-41]。如，Piotrowski等[42]利用擬南芥腈水解酶催化β-氰基丙氨酸，反應產物除天冬氨酸外，天冬酰胺的含量超過60%。此外，在細菌和真菌來源的腈水解酶催化反應的過程中也發(fā)現了酰胺的存在。同時，腈水解酶催化形成酰胺的機制與腈水合酶不同。根據推測的機制所示(圖2，pathway B)，Glu提供的質子與溶劑中的水形成親核試劑攻擊中間體，將質子轉移給Cys殘基，破壞與氰基α碳原子的硫醇形式而產生1分子酰胺。此外，空間位阻、底物取代基的電負性及反應條件(如溫度和pH)等因素都可能影響反應體系中羧酸與酰胺的比例[41,43]。

圖2 推測的腈水解酶催化機制[44]Fig.2 The proposed mechanism of nitrilase with hydrolysis and hydration activity[44]

Jiang等[40]通過改造Syechocystissp.PCC6803 腈水解酶Nit6803的反應專一性，并對底物-腈水解酶中間四面體復合物的結構分析，對腈水解酶pathway A和pathway B競爭結果提出了新的機制：在腈水解酶催化腈化合物生成中間體后，底物氮原子到催化位點Glu的氧原子的距離和催化位點Glu氧原子到Cys的硫原子的距離會影響羧酸和酰胺的生成比例。Yu 等[5]理性設計Synechocystissp.腈水解酶，使其立體選擇性發(fā)生反轉，并采用這一機制對其突變體酰胺含量的變化進行了分析。

此外，腈水解酶超家族其余分支晶體結構的解析也對腈水解酶催化機制提供了有益的參考。如，通過對Geobacillus pallidusRAPc8的脂肪族酰胺酶(PDB：2PLQ)的晶體結構的研究，Kimani等[45]提出,除了保守的催化位點Glu、Lys和Cys之外，Lys附近保守序列中1個額外的Glu對酰基-酶中間體的水解具有重要作用。同時，這一觀點也激發(fā)其他研究者的興趣，如Weber等[46]將來源于Geobacillus pallidusRAPc8腈水解酶的142位Glu替換為Leu或Asp等氨基酸后發(fā)現，突變酶對所有底物都失去活性。這是因為上述4個位點皆處于腈水解酶超家族的保守序列，該觀點也被一些腈水解酶的相關研究者認可并采納，如Woodward 等[32]在對腈水解酶底物特異性進行改造后發(fā)現，腈水解酶催化位點為E61-K148-E155-C182四聯體(圖3)。

催化四聯體為E61、K148、E155和C182圖3 植物腈水解酶NIT1結構模型[32]Fig.3 Structural model of a plant NIT1-group nitrilase[32]

3 腈水解酶催化性能調控及應用

由于天然腈水解酶催化非天然底物時活性低、選擇性低，且適應工業(yè)環(huán)境能力弱等原因，限制了其廣泛應用，對酶進行調控以提高其應用屬性具有重要意義。近二十年來，多個研究團隊在系統(tǒng)闡明腈水解酶來源、結構功能關系及作用機制的基礎上[11,47]，實現了對該類酶多重催化屬性的調控。

近年來，國內外研究者們對腈水解酶催化性能的設計改造取得顯著進展。浙江工業(yè)大學鄭院士團隊以鄰氯扁桃腈為底物，篩選獲得了系列具有重要應用潛力的腈水解酶，并通過蛋白質工程提升了來源于Pyrococcus horikoshii腈水解酶的立體選擇性，其雙突變體T132A/F189T的E值由17.3提升至大于200，且對鄰氯扁桃腈的催化活性提升至野生型的4.37倍[4]；創(chuàng)制了Acidovorax facilisZJB09122腈水解酶，可催化1-氰基環(huán)己基乙腈合成1-氰基環(huán)己基乙酸(加巴噴丁中間體)，且具有良好的活性、熱穩(wěn)定性和產物耐受性，實現了加巴噴丁的高效酶法合成[48]；以來源于Arabis alpina具有較高立體選擇性腈水解酶AaNIT和來源于Brassica rapa具有較高活性的腈水解酶BrNIT為親本，構建了逐段替換式嵌合酶構建技術，獲得了活性和立體選擇性同步提升的最優(yōu)嵌合酶BaNIT。在此基礎上，通過半理性設計策略確定5個“熱點”氨基酸殘基并構建飽和突變文庫，篩選獲得的突變體BaNIT/L223Q/H263D/Q279E的酶活提升5.4倍，E值提高至500以上[49]。此外，國內外其他團隊也為腈水解酶催化性能的設計改造，并取得了相當好的結果。如，Wu等[50-51]對A.facilis72W腈水解酶進行改造，結果發(fā)現，突變體T201A和雙突變體F168V/L201N對羥基乙腈的催化活性比野生酶分別提升了6倍和14倍。Yu等[52]對Syechocystissp.PCC6803 腈水解酶Nit6803進行改造，結果發(fā)現，三突變體P149A/I201A/F202V的催化活性是野生型的20.8倍。Gong等[53]利用半理性設計策略提升腈水解酶合成煙酸的催化活性，結果發(fā)現，三突變體N40G/F50W/Q207E的催化活性是野生型的2倍。Kobayashi等[54]以吲哚-3-乙腈、噻吩-2-乙腈等為底物時，A.faecalisJM3來源腈水解酶突變體C162N比野生型展現了更高的催化活性。Xie等[55]利用易錯PCR技術對腈水解酶AtNIT1進行改造，獲得催化活性提高3倍的突變體C236S。DeSantis等[56]對腈水解酶全基因序列進行飽和突變改造，獲得了能夠在3 mol/L底物濃度下高效催化3-羥基戊二腈的突變體，其產物(R)-4-氰基-3-羥基丁酸是阿托伐他汀的關鍵手性中間體。

腈水解酶兼具腈水解與腈水合活性，即催化混亂性(catalytic promiscuity)[41-42]，使其在生物有機合成中既面臨挑戰(zhàn)，又蘊含著巨大的潛力。筆者所在的研究團隊系統(tǒng)研究了影響腈水解酶反應專一性的關鍵因素，提出了酶進攻底物特征距離對反應選擇性的影響機制，建立了基于特征距離調控實現反應選擇性雙向調控新方法，獲得了催化系列底物嚴格產生羧酸或酰胺的正、反向調控突變體，并將此調控策略成功應用于多個腈水解酶。野生型Rhodococcus zopfii腈水解酶RZNIT催化2-氯煙腈時，酰胺含量高達88%，基于特征距離調控的改造策略，僅通過一個位點突變(W167G)，突變體的水解活性提升至野生型的20倍，催化2-氯煙腈時僅生成2-氯煙酸[37]。同樣，Tang等[57]通過錨定Paraburkholderia graminis腈水解酶的關鍵殘基，構建突變文庫，篩選獲得對2-氯煙腈水合活性消除且水解活性顯著提高的優(yōu)勢突變體，成功用于2-氯煙酸的生物合成；利用易錯PCR技術對嵌合體腈水解酶BaNIT/L223Q/H263D/Q279E(BaNITM0)進行反應專一性改造，在催化異丁基丁二腈合成普瑞巴林手性中間體的應用時，突變體M127I/C237S副產物酰胺的含量由15.8%降至2.1%，且其催化活性提升至BaNITM0的3.9倍。江南大學的Gong等[38]對真菌來源的腈水解酶進行反應專一性改造，得到的雙突變體I128L/N168Q催化反應后，使酰胺的含量由2.8%降低至0.9%，且I128L/N168Q的催化活性是野生型的2倍[58]。此外，Jiang等[40]改造Syechocystissp.PCC6803 腈水解酶Nit6803，結果發(fā)現：與野生酶相比，突變體F193N、F193A、F193D和F193Q等的腈水合活性提升20倍以上；以2-氰基吡啶為底物，突變體F193N催化產物中酰胺的比例達73%。Kiziak等[59]對來源于P.fluorescensEBC191的腈水解酶進行改造后發(fā)現，當刪除其C端后，腈水解酶的酰胺合成能力明顯提升，但立體選擇性和催化活性顯著下降。

在腈水解酶立體選擇性調控方面，國內外團隊也取得了極大的進展。Lu等[58]聚焦腈水解酶獨特的C界面結構，通過定點飽和突變構建突變文庫，篩選到的V82L突變體立體過量值明顯提升，并與雙突變體M127I/C237S進行疊加，可高效、高立體選擇性催化異丁基丁二腈；三突變體V82L/M127I/C237S對異丁基丁二腈的E值仍然大于500，催化150 g/L 異丁基丁二腈水解合成普瑞巴林手性中間體(S)-3-氰基-5-甲基己酸,產物的對映體過量值(e.e.值)大于99%。Sun等[3]篩選到對腈水解酶PpL19立體選擇性具有重要作用的4個“熱點”(M113、R128、A136和 I168)，結果發(fā)現：野生型對外消旋扁桃腈呈現S型選擇性，產物的e.e.值為52.7%；在對上述4個熱點進行飽和突變后發(fā)現，部分突變體的S型選擇性選擇性增強，而部分突變體呈現出相反的R型選擇性，經過合理組合后，獲得的突變體M113L/R128H對S-扁桃腈立體選擇性明顯增強，產物的e.e.值提升至91.1%；突變體 M113G/A136Y/I168Y則可催化R-扁桃腈，產物的e.e.值為90.9%。Yu 等[5]理性設計Synechocystissp.腈水解酶，使其立體選擇性發(fā)生反轉，并用于光學純(R)-3-異丁基-4-氰基丁酸的生物合成。Wang等[60]利用易錯PCR改造B.cenocepaciaJ2315腈水解酶，結果發(fā)現，雙突變體I133M/Y199G的立體選擇性明顯提升，產物光學純度由89.2%提升至99.1%。Chen等[61]發(fā)現，Bradyrhizobium japonicum腈水解酶bll6402NIT的突變體W57F/V134M、W57Y/V134M對異丁基丁二腈具有高立體選擇性，產物 (S)-3-氰基-5-甲基乙酸e.e.值大于99%。

除了嗜熱菌來源的少數腈水解酶外，大部分腈水解酶都需要面對穩(wěn)定性一般的困境。Xu等[62]針對腈水解酶典型的多聚體結構，深入探究了多聚體形成過程中兩個亞基間“A”界面和多個亞基間“C”界面作用力對酶穩(wěn)定性的影響機制，結果發(fā)現：通過加強界面鹽橋、氫鍵、二硫鍵以及減小亞基對稱螺旋之間的距離可顯著提升腈水解酶的穩(wěn)定性；利用穩(wěn)固腈水解酶界面的氨基酸殘基優(yōu)化策略，在前期腈水解酶BaNIT突變體基礎上，在30 ℃下酶的半衰期提高了10.8倍；獲得Acidovorax facilis來源腈水解酶的最佳突變體T201F/Q339K/Q343K,在45 ℃下的半衰期比野生型的提高了14倍。此外，還有一些研究對腈水解酶進行固定化，提升腈水解酶的穩(wěn)定性和使用效率，以降低生產成本。Ni等[63]通過領苯二酚-殼聚糖包埋的方法對腈水解酶進行固定化，所得固定化細胞可連續(xù)進行R-(-)-扁桃酸的生產，反應16個批次后酶活還保留80%。Zhang等[64]用戊二醛直接交聯腈水解酶大腸桿菌靜息細胞，在100 mmol/L 底物濃度下生產R-(-)-扁桃酸，反應15 批后活性無明顯損失。Bauer 等[65]采用聚乙烯醇(PVA)包埋腈水解酶細胞制備丙酸，在細胞和PVA 用量分別為1 g/mL和200 g/L時，酶活回收率高達100%，而且在100 mmol/L 底物濃度下可在填充床上連續(xù)反應100 min。

底物特異性的改造也是腈水解酶常見應用需求之一。Zhang 等[66]對Syechocystissp.PCC6803 腈水解酶晶體結構的分析后發(fā)現，W146位點對于底物偏好性和底物結合口袋的穩(wěn)定性有著重要的作用，如果將W146進行氨基酸的替換會改變腈水解酶的底物偏好性。Woodward 等[32]對來源于Capsella rubella的2個高同源性腈水解酶(CrNIT1和CrNIT2)進行改造后發(fā)現，腈水解酶C界面上的2個對稱螺旋會影響腈水解酶的底物特異性，將82位點由Phe突變成His(或者His突變成Phe)后，CrNIT1和CrNIT2的突變體對3-丁烯腈和6-庚腈的活性發(fā)生明顯的改變，底物特異性也發(fā)生轉變。

建立工作量合理、高效且快速的突變體篩選方法對于腈水解酶的改造是至關重要的。目前已有的腈水解酶高通量方法可大致分為pH指示劑法、NH3分析法、羧酸分析法和同位素標記分析法等[67]。腈水解酶催化腈類化合物水解成相應羧酸和NH3，產生的羧酸會使反應環(huán)境pH下降?；诖耍珺anerjee 等[68]建立了一種快速比色法，因為指示劑顏色變化與腈水解酶催化產酸的量成正比。NH3分析法則是對腈水解酶反應生成的NH3濃度進行檢測，如NH3與次氯酸鹽-苯酚在堿性條件下反應可生成深藍色靛酚，在612 nm下可定量測定[69],但該方法檢測時間較長，且只能檢測濃度為20～200 μmol/L的NH3。Banerjee等[70]開發(fā)NH3分析法，基本原理是NH3可與巰基乙醇、鄰苯二甲醛反應生成異吲哚衍生物，在激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為412和467 nm的情況下，通過熒光強度的大小定量分析NH3的濃度，該方法具有反應時間較短、靈敏度高及檢測范圍廣(2.5～1 000 μmol/L)，已被廣泛采用(圖4)。如，Lu等[58]基于此方法，向高通量篩選反應中加入來源于Pantoeasp.YR343的酰胺酶Pa-Ami，使其可高速檢測腈水解酶的總活性和水解活性，從而間接測量腈水解酶的水合活性，篩選反應專一性提升的腈水解酶。羧酸法分析法主要是對腈水解酶反應生成的羧酸進行檢測，常用的方法包括將鄰羥基苯甲腈及其衍生物作為熒光探針檢測腈水解酶活性[71]、根據羥肟酸鐵反應檢測腈水解酶活性[72]以及紫外分光光度法檢測法[73]等。DeSantis等[56]以15N標記的假前手性3-羥基戊二腈為底物篩選對映選擇性更好的腈水解酶，因為15N標記的R-3-羥基戊二腈會在R型選擇性腈水解酶的作用下生成沒有標記的對映體單酸，而在S型選擇性腈水解酶會生成帶有15N標記的S型對映體單酸，通過質譜可對反應產物進行定性和定量分析。

圖4 基于NH3濃度的腈水解酶反應專一性高通量篩選方法[58]Fig.4 High-throughput screening assay for nitrilase with improved reaction specificity[58]

4 結論與展望

歐陽平凱院士領導的“973計劃”項目“生物催化和生物轉化中關鍵問題的基礎研究(2003CB716000)”為腈水解酶生物催化研究提供了強有力的平臺，經過20多年的持續(xù)努力，我國腈水解酶生物催化研究取得系列重要進展，形成了基礎研究、技術開發(fā)、工程創(chuàng)新與工業(yè)應用緊密結合的鮮明特色，引起了國內外學術、產業(yè)界的廣泛關注，引領了該領域國際發(fā)展方向。

近年來，蛋白質結構預測等技術快速發(fā)展，為腈水解酶的設計和改造提供了有效手段。如何高效、快速獲得具有高催化活力、穩(wěn)定性和選擇性等性能的腈水解酶仍是其工業(yè)應用亟待解決的關鍵共性問題。因此，關于腈水解酶催化機制和催化性能調控的研究將仍是未來研究的主要內容。我們要大力弘揚歐陽平凱院士“忠誠精實”的科學家精神，致力創(chuàng)新，服務產業(yè)，為我國高水平科技自立自強做出新的貢獻。