近日，华中农业大学合作在Nature Communications期刊上发表题为“Specialized aldo-keto reductases trigger complete degradation of mycotoxin deoxynivalenol”的研究论文。华中农业大学植物科学技术学院已出站博士后何伟杰为论文第一作者，中国科学院上海营养与健康研究所武爱波研究员（植科院兼职教授）、华中农业大学生命科学技术学院殷平教授和植物科学技术学院张静柏副教授为论文共同通讯作者。
研究团队首先利用基于毒性评估的降解菌筛选策略，从赤霉病高发的小麦田土壤中筛选获得高效降解DON毒素的菌群S5。通过抗生素选择性富集与16S rDNA测序，锁定类诺卡氏菌属（Nocardioides sp.）为功能核心，最终分离得到纯菌株 S5-5。生长曲线检测、高分辨质谱分析和13C同位素示踪表明，该菌株能以DON毒素为唯一碳源和能量来源进行生长，并彻底破坏DON分子骨架结构，将其完全降解形成CO2和H2O。此外，菌株S5-5还可降解新茄病镰刀菌烯醇（NEO）、雪腐镰刀菌烯醇（NIV）以及3-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇（3Ac-DON）等多种与DON共污染的镰刀菌毒素，展现出优异的广谱降解潜力。
研究团队对DON毒素降解中间代谢物的动态积累规律进行了分析，发现S5-5对DON的完全降解由两条不同代谢路径同时开启，分别是C3-异构化途径和C8-还原途径。DON经C3-异构化途径生成中间代谢物3-异构-DON（3-epi-DON），而经C8-还原途径生成中间代谢物α/β-8-羟基-DON（α/β-8-OH-DON）。同时，C3异构化途径生成的中间代谢物3-epi-DON又可经C8-还原途径进一步降解形成8-羟基-3-epi-DON。研究团队通过基因组测序、细菌人工染色体文库（BAC）构建、功能筛选及基因异源表达验证，发现两个通过水平转移获得的新醛酮还原酶DONepi和DONrd分别催化DON C3-异构化和C8-还原过程。
与传统的DON异构化由两种酶经过两步反应催化完成不同，DONepi可单独催化DON的C3异构化，研究团队利用冷冻电镜（Cryo-EM）技术对其蛋白结构进行了解析，发现其形成独特的八聚体结构，由两个呈30°偏移的同源四聚体通过C端尾环相互锚定形成，每个单体包含典型的AKR家族(α/β)8桶状结构域与NADP⁺结合位点。结合量子力学/分子力学元动力学（QM/MM-MD）等多维度模拟分析，团队发现DONepi催化DON异构化时，首先形成一个瞬时的酮基中间产物，随后，DONepi驱使该中间体在活性口袋内发生刚性旋转，通过NADPH介导的立体选择性还原生成3-epi-DON。这一“瞬时酮基中间产物”机制，为AKR家族的功能多样化提供了新认知。而DONrd负责催化一种新的DON降解方式-C8酮基的还原。通过AlphaFold2结构预测与分子对接分析，发现DONrd同样具有(α/β)8桶状结构，但C端尾环与DONepi存在明显差异，DON以不同的手性方向进入其催化活性口袋，会形成一对差向异构体：α-8-OH-DON和β-8-OH-DON，这是首次在DON降解中发现这种催化反应。这些中间代谢物还会在其他多个酶（如细胞色素P450酶等）的作用下进一步被降解，最终实现DON的完全降解。
DON完全降解示意图
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