近日，一個中美合作團(tuán)隊感受到了成功帶來的甜蜜氣息：他們找到一種標(biāo)志性的酶，可用于鑒定細(xì)菌產(chǎn)生的惡臭分子3-甲基吲哚——糞臭素。研究結(jié)果或有助于研發(fā)抑制這種惡臭分子活性的方法。

“簡單地說，我們的發(fā)現(xiàn)解釋了動物糞便為什么會發(fā)出臭味的問題?！毖芯抗餐ㄓ嵶髡?、天津大學(xué)生物化學(xué)家張雁在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。盡管人們一直以來知道糞臭素是由細(xì)菌色氨酸發(fā)酵而來，但在此之前，對催化其形成的酶卻并不了解。

研究人員利用比較基因組學(xué)的方法，發(fā)現(xiàn)吲哚乙酸脫羧酶或可作為一種遺傳標(biāo)記，用于鑒定產(chǎn)生糞臭素的環(huán)境細(xì)菌以及與人相關(guān)聯(lián)的細(xì)菌。該成果增加了甘氨?；杂苫赋壖易宀粩嘣鲩L的化學(xué)庫，將進(jìn)一步對人類健康和畜牧業(yè)產(chǎn)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(dāng)空氣中的糞臭素達(dá)到0.00056ppm（百萬分之一）或0.0030mg/m3時，人的鼻子就能辨別出糞臭素獨(dú)特的氣味?！?

糞臭素起源于細(xì)菌代謝，其產(chǎn)生的生化途徑對了解人類健康及相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。厭氧細(xì)菌會將芳香氨基酸發(fā)酵成多種化合物，使其保持穩(wěn)定的芳香環(huán)。當(dāng)生活在厭氧環(huán)境（人/動物腸道）中的細(xì)菌產(chǎn)生這些化合物時，它們會在宿主體內(nèi)累積，濃度達(dá)到亞毫摩爾，產(chǎn)生生理或病理效應(yīng)。

糞臭素還能讓一些豬肉制品散發(fā)出怪味（公豬膻味），導(dǎo)致豬肉或豬油質(zhì)量差。同時，它還是一種潛在的肺毒素，可能導(dǎo)致肺癌以及牛呼吸道疾病。此外，糞臭素作為誘導(dǎo)蚊子產(chǎn)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(fā)生和發(fā)展起著促進(jìn)作用。

“盡管這個化學(xué)反應(yīng)和人類的生存環(huán)境以及畜牧業(yè)存在種種關(guān)聯(lián)，但因為它對氧氣非常敏感，因而了解它的催化機(jī)制具有很大的挑戰(zhàn)性?！睆堁阏f。他與美國伊利諾伊大學(xué)教授趙惠民、上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院iHuman研究所研究員趙素文團(tuán)隊等合作，聚焦研究厭氧菌里的自由基化學(xué)。

合作團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌通過降解色氨酸生成糞臭素，這一生化途徑的最后一步依賴于一種此前未知的酶——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(yīng)，在化學(xué)上很難實現(xiàn)。據(jù)我們所知，只能由IAD完成?！毖芯抗餐ㄓ嵶髡呲w惠民在電子郵件中告訴《中國科學(xué)報》記者。

據(jù)介紹，由于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(zhì)反應(yīng)，因此其壽命非常短暫，只有幾毫秒甚至幾微秒?！暗M(jìn)化過程中的一些酶可以通過蛋白折疊把自由基折疊到蛋白質(zhì)中，從而讓它不那么短命，甚至可能很穩(wěn)定，催化很難的化學(xué)反應(yīng)，如這項研究中的脫羧反應(yīng)。”張雁說。

這篇論文中發(fā)現(xiàn)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(dá)了這種酶，然后喂給它一些吲哚乙酸鹽，隨后用氣相色譜法確認(rèn)所得到的“獎勵”正是糞臭素。

遺傳標(biāo)志

未來，IAD可以作為判斷糞臭素存在的標(biāo)志?！霸谖磥硇聹y序的細(xì)菌中要鑒定該酶是否存在只需要和這些功能已知的IAD進(jìn)行序列比對，看活性口袋的殘基是否保守即可?！壁w素文告訴《中國科學(xué)報》記者。

“在新研究中，糞臭素恰巧是揮發(fā)性的，它的強(qiáng)烈氣味是細(xì)菌代謝旺盛的標(biāo)志，并且人體也已經(jīng)演化出了對這種氣味的敏感?！壁w惠民補(bǔ)充說，“基于IAD的DNA序列，人們還可以通過DNA測序快速確定人體和環(huán)境樣品中是否存在糞臭素產(chǎn)生菌?！?

在一個龐大的細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索分析后，研究小組發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生相同IAD的另外12種細(xì)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(xì)菌。“這可以解釋口臭的氣味?！睆堁阏f。

自由基酶本身對氧氣非常敏感，只有在腸道無氧的環(huán)境下才能夠穩(wěn)定和催化。而口腔中存在氧氣，最多只是厭氧環(huán)境，為什么有些菌會發(fā)生這一化學(xué)反應(yīng)呢？張雁推測，這可能是因為它們形成了一種生物膜。

對于如何抑制這種化學(xué)反應(yīng)，從而阻止口臭，趙素文表示，抗生素的使用現(xiàn)在爭議較大，目前只針對某一種細(xì)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(xì)菌，改變?nèi)梭w腸道菌群的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對健康造成不良影響?！八裕詈眠€是養(yǎng)成良好的口腔衛(wèi)生習(xí)慣。”她說。

阻斷活性

“在理論上講，識別出IAD將有助于開發(fā)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(chǎn)生?！睆堁阏f。它有助于解決糞便臭味和豬肉膻味的問題，還有助于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(chǎn)卵從而傳播疾病等問題。

鑒定出含有IAD的細(xì)菌后，可以考慮對其進(jìn)行靶向清理。“可以對‘菌或酶’下藥，阻斷糞臭素的生成?！壁w素文說。

“比如采用IAD的特異抑制劑?！壁w惠民舉例說。他表示，IAD的催化反應(yīng)是色氨酸降解途徑中產(chǎn)生能量的最后一步，更好地理解這個代謝通路還有助于創(chuàng)造一種不適合糞臭素合成的環(huán)境。

“我們可以設(shè)計一些有效策略，比如可以用糞臭素產(chǎn)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，并且可以注冊為益生菌，也可以用特異的小分子抑制劑阻斷IAD的反應(yīng)途徑?！壁w惠民說。

他表示，合作團(tuán)隊將繼續(xù)研究IAD的催化機(jī)理及其在細(xì)菌代謝中的作用，研究與IAD有關(guān)的厭氧酶，進(jìn)一步探索人體微生物菌群中厭氧菌產(chǎn)生的小分子化合物庫，因為研究人員認(rèn)為這些小分子很可能與人體健康息息相關(guān)。

甘氨酰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(tuán)隊將繼續(xù)探究這個蛋白家族的未解之謎。據(jù)了解，目前合作團(tuán)隊正在進(jìn)行的另一項研究與飲食和放屁有關(guān)，其中涉及到腸道菌產(chǎn)生的一種重要的人體氣體信號分子?！霸摲肿优c癌癥和發(fā)炎存在關(guān)聯(lián)，我們正在了解其代謝通路?！睆堁阃嘎?。