“酶”力全开！脲酶如何解锁微生物组的高效调控？

微生物群落在生态系统中扮演着关键角色，尤其在反刍动物的瘤胃中，微生物通过分解尿素为宿主提供氮素，是维持其生长和生产的重要机制。然而，瘤胃微生物脲酶活性过强会导致尿素氮的浪费，甚至引发氨中毒，这不仅降低了饲料效率，还对环境造成了负面影响。传统调控方法如抗生素或益生菌，往往因脱靶效应而无法精准调控微生物功能。因此，开发一种能够精准靶向调控微生物脲酶活性的技术显得尤为重要。

图1 研究摘要

（注：该研究提出了一种创新方法，该方法集成了核心酶鉴定、蛋白质结构表征、调节因子虚拟筛选和功能验证，以实现精确的微生物组功能调节。作为概念验证，作者专注于反刍动物瘤胃微生物群对尿素分解的调节。该方法可用于微生物组工程以及动物生产力、人类健康、环境改善和生物技术方面的更广泛应用。）

近日，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所奶业创新团队王加启研究员及其研究团队等在iMeta上发表了题为“Leveraging core enzyme structures for microbiota targeted functional regulation: Urease as an example”的研究性文章，该研究开发建立了优势酶结构驱动的微生物组靶向功能调控方法，首次鉴定并解析了牛瘤胃微生物优势脲酶，创制新型植物源绿色脲酶抑制剂，为反刍动物尿素氮高效利用和豆粕减量提供了指导。

图2 文献基本信息

在该研究中，作者提出了一种创新方法，通过整合优势酶鉴定、蛋白质结构表征、抑制剂虚拟筛选和功能炎症，实现对微生物组功能的精准调控。为了验证这一方法，作者聚焦于奶牛瘤胃微生物脲酶对尿素分解的调控，作者从饲喂10种不同日粮的奶牛中共收集了88份瘤胃样品进行宏基因组测序，分析鉴定了优势脲酶基因及其微生物基因组（MAG257），发现其来自琥珀酸弧菌科新菌属，重建完整的脲酶基因簇与尿素代谢通路。作者进一步通过冷冻电镜对脲酶催化亚基（UreC）进行结构分析，揭示了其活性位点的关键氨基酸，进而通过分子对接筛选鉴定到新型高效植物源脲酶抑制剂。随后，作者利用人工瘤胃模拟系统验证表明，脲酶抑制剂表小檗碱通过结合到脲酶活性中心阻碍尿素进入，从而降低尿素分解速度并提高氮利用率，阐明了脲酶抑制的结构学机制。

图3 MAG257 脲酶的蛋白质结构特征

图4 表小檗碱对瘤胃模拟系统中脲酶活性和尿素代谢的筛选和影响

本研究建立了一个结合结构生物学和计算筛选的框架，用于实现微生物组功能的靶向调控。这种方法不仅适用于反刍动物的瘤胃微生物，还为其他微生物组的功能调控提供了新的思路和工具，有望在动物生产、人类健康、环境改善和生物技术等领域得到广泛应用。

这项研究为我们提供了一个新的视角，即通过解析核心酶的结构来实现微生物组功能的精确调控。这种方法的出现，不仅有助于解决反刍动物饲料利用率低的问题，还为其他微生物组相关领域的研究提供了新的思路。未来，我们可以期待更多基于结构生物学的微生物组调控技术的出现，为解决全球性问题提供新的解决方案！

参考文献：Shengguo Zhao, Huiyue Zhong, Yue He, et al. Leveraging core enzyme structures for microbiota targeted functional regulation: Urease as an example. iMeta. E70032. DOI: 10.1002/imt2.70032.