一、

文章科普簡介（此部分由AI生成）

POPOLAR SCIENCE INTRODUCTION

改造酶蛋白，讓煙酸（維生素B3）的生物合成更高效

這是一個關于酶“變身變強” 的趣味故事！科學家利用分步序列優化技術，對腈水解酶進行了不碰核心區的“遠端微改造”，一次性解鎖三大超強能力。首先是耐熱體質升級，遠端突變在酶分子內部構建了新的鹽橋、π-π 堆積與疏水填充結構，讓酶的寡聚體更緊致、更有剛性，高溫環境下也不會輕易散開、失活，熱穩定性顯著提升。其次是反應速度拉滿，突變間接優化了底物結合通道，能穩穩把底物鎖定在近攻擊構象，讓催化路徑更短、反應更快，催化效率大幅提高。最后是抗壓能力強化，經過修飾的酶表面大大減少了與煙酸分子的有害結合，避免產物堵住活性中心、抑制酶活，讓酶可以輕松耐受高濃度煙酸，為高效轉化提供堅實保障。這套神奇的遠端改造，讓普通酶一躍成為煙酸（維生素B3）生物合成的高性能催化劑，不僅活力更強、壽命更長，還能高效高產煙酸，為工業生物合成帶來了更綠色、更高效的新方案。

二、

文章背景簡介

BACKGROUND INTRODUCTION

煙酸又被稱為維生素B3、尼克酸、維生素PP，屬于B族維生素，是人體必需的13種維生素之一。煙酸是少數存在于食物（菌菇、動物肝臟、魚類、瘦肉、全谷物、堅果等）中且相對穩定的維生素，烹調及儲存后不易大量流失。煙酸的化學名稱為3-吡啶甲酸，分子式為C6H5NO2。煙酸在體內可轉化為煙酰胺，后者是輔酶煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）的必需組分。  

作為輔酶NAD+和NADP+的必需組分，煙酸是維持正常新陳代謝所必需的，會參與體內糖類、脂肪和蛋白質的分解代謝及氧化還原反應。煙酸缺乏可引起糙皮病，典型癥狀為皮炎、腹瀉及癡呆。此外，大劑量使用煙酸時還具有調節血脂作用，可降低膽固醇和甘油三酯，升高高密度脂蛋白，是重要的調脂藥物類別。

因此，煙酸是食品、飼料、醫藥領域不可或缺的核心原料，廣泛應用于營養強化、醫藥中間體合成及動物飼料添加。

此外，煙酸的衍生物煙酰胺單核苷酸（NMN）作為NAD+的高效中間體，近年來被很多人視為有潛力的抗衰活性物質，備受關注。

目前，生產煙酸的傳統化學合成法存在高污染、高能耗、反應條件苛刻、產物純度低等問題，而以腈水解酶為核心的生物催化路線，是煙酸綠色低碳、高效環保生產工藝的理想方案。但天然腈水解酶普遍存在催化活性低、熱穩定性差、可溶性表達弱等技術痛點，嚴重限制工業化應用。

2026年，江南大學Laichuang Han等（通訊作者為周哲敏教授，zhmzhou@jiangnan.edu.cn）在國際權威期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（IF 6.2，農林科學1區TOP期刊）發表了題為“Improvement of Activity, Stability, and Soluble Expression of Nitrilase through Stepwise Sequence Optimization for Highly Efficient Synthesis of Nicotinic Acid”的文章。

團隊創新性采用逐步序列優化策略，整合PROSS自動化組合突變設計與SPIREDFitness適應性導向優化兩大技術，對腈水解酶進行精準遠端殘基改造，在不改變催化口袋的前提下，成功構建出“全能型” 優質突變體PD1F4，實現煙酸高效、高耐受、高穩定性生物合成，為綠色生物制造產業提供高性能工業酶與可復制的改造范式。

三、

文章摘要

ABSTRACT

本研究針對天然腈水解酶在煙酸生物合成中活性低、熱穩定性差、可溶性表達弱、產物耐受性低的瓶頸問題，采用逐步序列優化策略，聯合 PROSS 組合突變設計與 SPIREDFitness 適應性導向優化方法，對腈水解酶突變體 C57E10 進行遠端殘基改造，獲得最優突變體PD1F4。

結果表明，PD1F4較起始突變體比活力提升2 倍以上，50℃半衰期由10.53 min顯著提升至123.40 min，可溶性表達與產物耐受性大幅改善；全細胞催化可實現煙酸終濃度達272 g/L，且可循環使用3 輪。分子動力學模擬證實，遠端突變通過穩定酶寡聚體結構、鎖定底物近攻擊構象、減少酶與產物有害結合，同步提升酶的催化效率、熱穩定性與產物耐受性。該研究提供了高效煙酸合成生物催化劑，建立了可復制的工業酶遠端改造范式，為綠色生物制造提供重要理論與技術支撐。

四、

思維導圖（此部分由AI生成）

MIND MAP

五、

所用到的主要方法

METHODS

1. 菌株與基因操作方法

2. 計算機輔助酶設計

3. 實驗篩選與表征

4. 酶學性質分析

5. 放大催化與循環驗證

6. 分子機制解析

六、

文章的主要內容

CONTENTS

本研究以煙酸綠色生物制造為目標，選用催化口袋已深度進化的腈水解酶突變體C57E10作為起始模板，重點解決其在工業化應用中存在的催化效率不足、熱穩定性差、可溶性表達偏低等關鍵問題。團隊不改變酶的底物特異性與催化中心結構，僅通過遠端殘基的逐步序列優化，實現酶整體性能的全面突破。

1. PROSS 輔助的組合突變設計

研究首先采用PROSS 自動化設計工具，基于蛋白結構與多序列比對進行組合突變設計，固定催化活性中心與底物結合口袋，僅對遠端位點進行突變篩選，最終獲得5點組合突變體PD1。該突變體在催化活性、熱穩定性與可溶性表達三個維度同步提升，在37℃高溫誘導下仍可保持良好的可溶性，為后續工業發酵奠定基礎。

2. SPIREDFitness 適應性導向優化

為進一步挖掘酶的性能潛力，研究以PD1為模板，引入SPIREDFitness 蛋白大語言模型進行適應性（Fitness）導向優化。通過全序列單點飽和突變預測、多輪迭代組合與高通量篩選，最終獲得最優突變體PD1F4。該突變體在保持底物專一性的同時，實現了活性、穩定性、耐受性的三重躍升。

3.純酶學性質表征

系統酶學表征結果顯示，PD1F4的比活力較出發菌株C57E10提升2倍以上；50℃條件下酶活半衰期從10.53 min大幅提升至123.40 min，熱穩定性提升超10倍；最適溫度由35℃提高至40℃，更適應工業高溫反應環境。在100 mL 放大體系中，PD1F4全細胞催化劑可耐受高濃度煙酸積累，終產量達到272 g/L，遠高于原始菌株的106 g/L，并可穩定重復使用3個催化周期，表現出優異的工業應用潛力。

4.遠端突變實現性能飛躍的機理解析

為揭示性能提升的分子本質，團隊通過分子動力學模擬、分子對接、近攻擊構象NAC 分析等手段進行機制解析。研究證實，遠端突變通過新增鹽橋、π-π堆積作用與疏水填充，使酶的寡聚體結構更緊湊、剛性更強，高溫下不易解聚失活；同時優化底物結合通道，將底物穩定在近攻擊構象，顯著提高催化效率；此外，突變還降低了酶表面與煙酸分子的有害結合，大幅提升產物耐受性，從而實現高濃度高效轉化。

（1）穩定酶的空間結構：遠端突變通過在酶分子內部新增鹽橋、π-π堆積作用與疏水填充，使酶的寡聚體結構更加緊湊、剛性更強，有效抑制了高溫條件下酶分子的解聚與失活，顯著提升了熱穩定性。

（2）優化催化反應效率：遠端突變間接優化了底物結合通道，能夠將底物分子穩定在近攻擊構象，縮短催化反應的反應歷程，從而顯著提高催化效率。

（3）提升產物耐受性：突變修飾降低了酶表面與煙酸分子的有害結合，減少了產物對酶活性中心的抑制作用，大幅提升了酶對高濃度煙酸的耐受性，為高濃度產物的高效轉化提供了保障。

總之，本研究完整建立了“計算設計-突變構建-功能篩選-機制解析” 的工業酶改造流程，成功獲得可用于工業化煙酸生產的高性能腈水解酶突變體PD1F4，同時提出一套不改動催化口袋、僅優化遠端殘基即可突破酶性能瓶頸的通用策略，為腈水解酶及其他工業酶的定向進化提供重要參考與可復制范式。

       原文標題 : 腈水解酶序列改造，實現煙酸（維生素B3）高效生物合成