5月15日，國際學術期刊Journal of Hazardous Materials 刊發了題為“Threonine dehydratase enhances bacterial cadmium resistance via driving cysteine desulfuration and biomineralization of cadmium sulfide nanocrystals”的文章，報道了中科院海洋所孫超岷課題組發現能單獨介導硫化鎘納米顆粒形成的深海微生物酶的研究成果。該成果發現一株深海假單胞菌所產生的蘇氨酸脫水酶演化出了半胱氨酸脫硫酶活性，在半胱氨酸及鎘離子存在的反應體系中該酶能單獨介導硫化鎘納米顆粒的高效形成，不需要微生物的參與。 

　　硫化鎘納米顆粒具有光吸收和自發熒光特性，在光催化、光學應用和生物醫學等眾多領域得到廣泛應用，并成為當今納米材料科學的前沿熱點。該研究成果提升了硫化鎘納米顆粒形成的效率，簡化了生產程序，為生物合成硫化鎘納米顆粒提供了新方法和新型生物酶資源，也為解釋深海微生物特殊環境適應機制提供了理論依據。 

　　重金屬鎘在深海環境中廣泛存在，深海微生物進化出了成熟且多樣的鎘耐受機制以維持在鎘環境中的生長和繁殖。與此同時，環境中與鎘共存的化合物如半胱氨酸可顯著影響深海微生物的鎘抗性。在研究一株深海假單胞菌鎘耐受機制的過程中，發現半胱氨酸的存在可以有效促進細菌形成硫化鎘納米顆粒，進而顯著提高細菌的鎘抗性和脫除率（圖1）。通過蛋白質組學和基因敲除等方法發現該菌產生的蘇氨酸脫水酶（threonine dehydrase, TD）具有半胱氨酸脫硫酶活性，該酶通過催化半胱氨酸脫硫生成硫化氫來參與細菌的鎘耐受過程。通過TD的異源表達和分離純化進一步確定了重組蘇氨酸脫水酶（rTD）在胞外仍具有半胱氨酸脫硫酶活性，并分析了其催化反應的過程。

圖1 半胱氨酸能有效提升深海假單胞菌形成硫化鎘顆粒及鎘耐受能力

　　rTD催化的半胱氨酸脫硫過程分為兩步：首先半胱氨酸和水反應生成L-絲氨酸和硫化氫，進而L-絲氨酸進行脫氨作用生成丙酮酸和氨氣（圖2）。最后，研究人員建立了硫化鎘納米顆粒生物合成單酶體系，該體系以rTD作為催化酶、以半胱氨酸作為硫供體、以氯化鎘作為鎘供體，可高效催化硫化鎘納米顆粒的合成（圖3）。其中rTD除了作為催化酶控制反應進程之外，還具有包被物的作用，能夠控制硫化鎘納米顆粒的形成速度和顆粒粒徑，該研究成果已申請國家發明專利。值得一提的是，該株假單胞菌分離自“科學號”從海山采集的樣品，還具有良好的汞脫除能力，能產生抑制多重耐藥性銅綠假單胞菌生物膜形成的多糖，在環境保護和生物醫藥領域具有良好應用潛力。

圖2  蘇氨酸脫水酶催化半胱氨酸介導硫化鎘納米顆粒形成的過程

圖3  構建蘇氨酸脫水酶介導硫化鎘納米顆粒形成的單酶體系

　　中科院海洋所博士研究生馬寧為第一作者，孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了大洋協會“深海生物資源計劃”及中科院海洋大科學中心前沿部署等項目聯合資助。 

　　相關論文： 

　　Ning Ma, Ruining Cai, Chaomin Sun*. Threonine dehydratase enhances bacterial cadmium resistance via driving cysteine desulfuration and biomineralization of cadmium sulfide nanocrystals. Journal of Hazardous Materials, 2021, Doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126102. 

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421010669