2025科普专栏丨 芳烃交响团 Rieske型芳香环双加氧酶：微生物界的“环保卫士”与“化学艺术家”

环境中的芳香族污染物（多环芳烃、农药、塑化剂等），以苯环为心脏，自带“六边形能量盾”，惰性极强，自然降解需数十年。其脂溶性助其渗透生物屏障，沿食物链攀升，潜伏人体肝脏脂肪，半衰期数十年，构成慢性毒害^[1]。

图1 我们这个星球上芳香化合物造成的严重污染

正当“小怪兽”肆虐之际，英勇的“环保卫士”——RDOs挺身而出。它们配备神奇“魔法武器”：能将氧气精准引入苯环，将其转化为易降解物质。这如同在“小怪兽”的坚硬外壳上打开缺口，瓦解其顽固性。

始于RDOs由多个成员组成，它们分别是：

①能量转换站（HcaD还原酶）：从NADH分子中提取电子到FAD，然后将它们传递给铁氧还蛋白；

②量子快递员（HcaC铁氧还蛋白）：通过[2Fe-2S]簇穿梭传递电子；  

③分子手术刀（HcaEF双加氧酶）：利用Rieske [2Fe-2S]中心将电子传送到邻近亚基中的单核铁，激活分子氧，执行苯环切割的"主刀"任务^[2]。

图2 RDOs酶系统的组成

然而，“环保卫士”自身也面临挑战：冷冻电镜显示其HcaEF亚基仅靠脆弱的盐桥连接，稳定性差^[3]，对环境波动极为敏感，酶复合体易解离导致电子链断裂——如同橡皮筋固定的齿轮稍扰即失效。加之天然催化效率仅29.6%，其“战斗力”亟待升级。

图3 HcaEF复合体的冷冻电镜结构揭示HcaE和HcaF亚基之间较弱的相互作用

通过冷冻电镜解析HcaEF的结构，科学家锁定β亚基Q73位点。分子动力学模拟显示，将其突变为Q73I后：

①热稳定性提升 ：熔解温度从野生型的43.7℃升高到突变体的47.9℃，显著提高了酶的热稳定性。

②催化效率提高 ：周转率从29.6% 增加到43.8%，显示出约50%的改善。

图4-5 Q73I突变体蛋白性能的增强

③工业潜力增强 ：突变体在高温温度下显示出增加的催化活性，与野生型相比，相对增加分别为17 %、48 % 和19%。此外突变体还增强了酶对pH、NaCl浓度和二价阳离子的耐受性^[3]。

图6 Q73I突变体蛋白与野生型蛋白的工业潜力对比

基于此构建的高效工程菌在生长速度、3-PP消耗效率及环境耐受性等多方面均优于野生型，前景良好^[3]。

①将稳定六聚体的策略应用于催化其他底物的RDOs，处理更多污染物；

②用共价Linker将RDOs各组分连接，提高电子传递效率，增强催化活性。

图7 未来进一步提高催化效率的策略：共价Linker

从微观的酶催化到宏观的生态保护，每一份努力都在为地球书写可持续发展的诗篇。

人类用X射线破译酶结构，用基因编辑器重写蛋白质密码，这不仅是改造工具，更是重订与自然的契约。Q73I突变、Linker工程等“分子手术”的生态价值，或远超万吨级污水处理厂——它揭示：修复地球的钥匙，正藏于生命最精微的构造中。

——每一次精准的基因编辑，都在求解人与自然共生的新方程。