从“细菌耐药性”认识2OG加氧酶

来源：中科院之声

你了解细菌耐药性吗？

一些致病细菌侵入人体后会引发人体内免疫系统的反抗，这时如果辅助使用抗生素药物会帮助人体尽快消灭病菌。但由于某些细菌在与抗生素“战斗”的过程中逐渐获得耐药性，抗生素无法对这些菌株产生威胁，它们便开始“无法无天”，对人类的健康形成新的、甚至更加严重的挑战和威胁。

以大家都有所耳闻的食源性致病菌——金黄色葡萄球菌为例，它能产生一种酶（β-内酰氨酶）水解特定的某类抗生素（β-内酰胺类抗生素），使其失去效用。你可能会有疑问：难道抗生素就拿它没有办法了吗？

答案是否定的。这时就让我来介绍一位功臣——克拉维酸。它能够与金黄色葡萄球菌产生的酶结合使其失活，使不耐酶的抗生素保持活性功能从而杀灭致病菌。所以克拉维酸与青霉素类及头孢菌素类药物合用，不仅能大大减少这些药物的使用剂量，还能帮助抗生素药物更高效地对抗耐药性致病菌。

认识了克拉维酸，它又和2OG加氧酶有什么关系呢？我们要从它的生产途径说起。

目前克拉维酸的生产途径主要为微生物发酵合成，以L-精氨酸和D-甘油醛-3-磷酸为底物，其生物合成途径如图所示：

图1. 克拉维酸生物合成途径（8：产物克拉维酸）

在该途径中，克拉维酸合成酶（clavaminic acidsynthase，CAS）发挥了前所未有的三功能作用，催化了羟基化、氧化环化和去饱和反应。而克拉维酸合成酶正是一种出色的Fe（II）/ 2-氧代戊二酸加氧酶（Fe（II）/2-oxoglutarate oxygenase），简称2OG加氧酶，所以2OG加氧酶在克拉维酸生产过程中的地位极为重要。

2OG加氧酶通常使用Fe（II）作为辅因子，2OG和O2作为辅助底物，产生副产物CO2和琥珀酸盐。就底物和产物的选择性而言，2OG加氧酶是生物化学上最灵活的酶之一。这类酶由Johanna Myllyharju和Kari I. Kivirikko在胶原生物合成研究中首次发现，并被证明能够催化脯氨酰和赖氨酰残基羟基化。随后，更多的研究者发现它们存在于大多数生物中，例如在植物和微生物中，2OG加氧酶能够催化包括去饱和、氧化环化、重排和卤化在内的各种反应。

对2OG加氧酶的催化机理进行研究时，Danica等人首先通过对氯化酶CytC3的研究，发现了铁（IV）氧代中间体，即ferryl中间体（见图2 E）。Fe（II）构成金属配体与2OG结合，2OG的氧化脱羧作用释放CO2，形成琥珀酸酯与Fe（IV）高价铁氧化物结合，合成C=O键得到产物。

图2. 2OG加氧酶催化机理

图3. 2OG加氧酶羟基化反应示例

自2OG加氧酶被发现以来，这一庞大的加氧酶家族已经有了巨大的发展。如今，它已被认为可催化非常广泛的氧化反应，这些“外来的”氧化反应通常参与次生代谢产物的生物合成，不止克拉维酸，还包括医学上重要的抗生素如头孢菌素，以及植物中的重要小分子如赤霉素、乙烯和类胡萝卜素等。

时至今日，2OG加氧酶催化的化学反应类型在更为深入的科学研究中继续多样化，相关工业应用也有了显著的增长，特别是在抗菌化合物的合成途径中，其重要性使得这类酶在工业应用中会具有很大潜力。

然而，尽管在破译该类酶的酶结构、机理和生物学作用方面已取得了长足进步，我们仍有许多问题有待阐明：这些酶中的哪一种最适合用于所需的工业应用，又该如何增强它们对非天然底物的反应性？这些亟待回答的问题将会对其进一步的应用有着极大的影响。