新污染物二甲双胍生物降解机制研究方面取得进展

上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室周宁一教授团队继发现一线降糖药物二甲双胍的降解菌株之后（ES&T，2023），进一步在生化水平上解析了二甲双胍的微生物分解代谢机制，相关研究论文“Discovery of a Ni²⁺-dependent heterohexameric metformin hydrolase ”发表于《Nature Communications》，生命科学技术学院助理研究员李涛博士为第一作者，周宁一教授为通讯作者，课题组四位博士研究生许芷菁、张淑婷、徐佳、潘飘飘为共同作者。

二甲双胍是一种一线抗糖药物，也被用于抗癌、控制体重等方面，已成为临床使用量最大的处方类药物之一。但其几乎不被人体代谢，摄入以后主要以原型的形式排出体外而最终汇入污水处理厂并释放到环境中，是环境中检出浓度和频率最高的新污染物之一。本团队2023年初报道了一株能以二甲双胍为唯一碳、氮源生长的菌株Aminobacter sp. strain NyZ5501。几乎同时，来自法国和美国的研究团队也分别独立报道了来自氨基杆菌属和假单胞菌属的二甲双胍降解菌株，这些研究表明二甲双胍降解菌株可能在全球广泛分布，主要归属于氨基杆菌属和假单胞菌属，但这些菌株中二甲双胍分解代谢机理仍亟待揭示。

本研究在菌株NyZ5501中鉴定了催化二甲双胍降解起始反应的水解酶。该酶是一个来自精氨酸家族的金属水解酶，但与该家族普遍存在的锰离子依赖型酶不同，二甲双胍水解酶依赖于镍离子。此外，该酶是由两个亚基组成的异源六聚体形式，而精氨酸家族的酶通常是同源多聚体组装。其中一个亚基保留了金属离子催化中心，而另外一个亚基在进化的过程中失去了金属离子结合能力，主要行使稳定复合物结构的作用。异源表达、酶学分析、晶体结构、冷冻电镜及点突变分析结果表明其独特的异源多聚体组装形式对于二甲双胍水解酶的活性必不可少。

通过数据库检索以及酶活分析，我们在多种来源的环境细菌中鉴定了功能性的二甲双胍水解酶，主要分布于四个门Proteobacteria, Actinomycetota, Acidobacteriota和Planctomycetota。我们的发现不仅解析了微生物分解代谢二甲双胍的遗传和生化基础，而且对古老的精氨酸酶家族蛋白适应环境中新出现的人工合成化合物的机理提供了新的见解，同时为二甲双胍污染环境治理及修复提供了潜在的应用价值。值得指出的是，美国明尼苏达大学Lawrence P. Wackett教授团队今年在PNAS发文以及德国Jörg Hartig教授团队发表预印本论文，分别独立鉴定了来自假单胞菌的二甲双胍水解酶，展示出科学工作者对微生物分解代谢二甲双胍的普遍兴趣。

环境微生物能够通过快速进化获得降解人工合成的二甲双胍分子的能力，这一事实也提醒我们人体肠道微生物出现二甲双胍降解能力的可能性。肠道微生物对于二甲双胍的降解可能会影响这一重要药物的治疗效果。尽管我们目前通过搜索公共数据库中的人体肠道微生物组数据尚未发现有活性的二甲双胍水解酶MetCaCb同源物，但仍需考虑二甲双胍水解酶基因未来转移至肠道微生物或者肠道微生物进化出新的二甲双胍代谢酶的可能性。

图1 Aminobacter sp. strain NyZ550中二甲双胍水解酶的鉴定。（a）二甲双胍水解酶编码基因簇及其催化的反应；（b）二甲双胍水解酶活性分析；（c）二甲双胍水解酶异源六聚体总体结构；（d）二甲双胍水解酶双镍活性中心；（e）二甲双胍水解酶及其同源物的系统发育分析。

本工作得到了国家自然科学基金重点项目（32230001）的支持。