《Food Chemistry: Molecular Sciences》：Wheat landraces and microbiome endophytic phytases: In vitro/in silico study for iron bioavailability
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本研究针对全球性缺铁性贫血问题，探索了一种创新的生物技术解决方案。研究人员从摩洛哥小麦地方品种中分离出产植酸酶的内生乳酸菌和酵母菌，通过分子表征、酶活定量、基因鉴定及分子对接模拟，证实这些微生物植酸酶（HAP、PTP、βPP）在降解阻碍铁吸收的植酸铁复合物方面，其催化效率显著优于小麦内源性的紫色酸性磷酸酶（PAP）。该研究为开发用于小麦产品天然生物强化的生物引发剂或功能性发酵剂提供了理论基础，为缓解全球铁缺乏问题提供了一条可扩展的生物技术路径。
铁是人体必需的微量元素，然而全球多达二十亿人遭受缺铁性贫血的困扰，尤其影响育龄妇女和儿童。尽管通过膳食多样化、铁剂补充和主食强化（如小麦粉）等策略进行干预，但铁的吸收效率常因食物中的抗营养因子而大打折扣。其中，植酸（Phytic Acid, PA）是谷物中的主要磷储存形式，它能与铁离子（尤其是三价铁Fe3+）形成不溶性的植酸铁复合物，使其难以被人体肠道吸收。小麦自身虽含有内源性植酸酶——主要是紫色酸性磷酸酶（Purple Acid Phosphatase, PAP），但其活性往往受限于狭窄的最适pH范围和稳定性。因此，寻找高效、稳定的植酸酶来源以分解植酸、释放被螯合的铁，成为提高以小麦为主食人群铁营养状况的关键科学问题。
在此背景下，一项发表于《Food Chemistry: Molecular Sciences》的研究提出了一种颇具前景的生物技术策略。该研究将目光投向了与小麦协同进化的天然伙伴——内生微生物。研究人员假设，长期适应小麦籽粒微环境的内生微生物，可能蕴藏着能够高效降解植酸铁的特殊植酸酶资源。为了验证这一假说，研究团队开展了一项结合体外实验与计算机模拟的系统性研究。
研究人员为开展本研究主要应用了以下几项关键技术：从摩洛哥12个地区收集的75份小麦地方品种样本（包括硬粒小麦、软质小麦和红小麦）的微生物分离与培养；利用16S rRNA（针对细菌）和18S rRNA（针对真菌）测序进行分子鉴定与系统发育分析；采用简并PCR技术检测不同类别的植酸酶编码基因（HAP、PTP、βPP、PAP）；通过比色法量化小麦各组分（面粉、麸皮）及其内生微生物的植酸酶活性；运用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）优化植酸铁底物结构，并利用分子对接模拟研究植酸铁与不同类别植酸酶（以已知晶体结构为模板）的结合模式和相互作用。
3. 结果与讨论
3.1. 内生微生物多样性及植酸酶活性筛选
研究首先从摩洛哥小麦地方品种的籽粒组分（面粉和麸皮）中分离并鉴定出丰富的内生乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）和酵母菌群落。分子鉴定揭示了显著的微生物多样性，乳酸菌以植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）和乳酸片球菌（Pediococcus acidilactici）为主，酵母菌则以阿萨希丝孢酵母（Trichosporon asahii）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和胶红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）等为优势菌株。值得注意的是，本研究首次在小麦样本中报道了河生漫游球菌（Vagococcus fluvialis）的存在。初步筛选显示，大部分测试菌株能在特定培养基上产生透明圈，表明其具有分泌胞外植酸酶的能力。统计分析表明，乳酸菌和酵母菌群体的植酸酶活性（以透明圈直径衡量）存在显著差异，且乳酸菌组内变异性更大，暗示其蕴藏着更多样化的催化潜能。
3.2. 植酸酶活性量化与比较
对筛选出的阳性菌株进行植酸酶活性定量分析发现，不同微生物物种间酶活存在显著差异。乳酸菌中，乳酸片球菌、戊糖片球菌和植物乳杆菌表现出最高的植酸酶活性（单位：U/mL），显著高于其他菌株。相比之下，酵母菌的整体酶活通常低于乳酸菌，但如胶红酵母和新型隐球菌（Cryptococcus neoformans）等也显示出中等水平的活性。尤为重要的是，研究人员比较了小麦自身（面粉和麸皮）的内源性植酸酶活性（单位：mU/g d.w.），发现所有测试的内生微生物菌株的植酸酶活性均显著高于小麦籽粒各组分的内源活性。这表明利用这些微生物来源的植酸酶有望更有效地水解小麦中的植酸。
3.3. 植酸酶编码基因的鉴定与系统发育分析
为了从遗传基础上理解微生物植酸酶的多样性，研究采用简并PCR技术检测了四种主要的植酸酶类型编码基因。结果表明，在所研究的小麦品种中均检测到内源性PAP型植酸酶基因。而在微生物中，则鉴定出三类主要的植酸酶基因：组氨酸酸性磷酸酶（Histidine Acid Phosphatase, HAP）、蛋白酪氨酸磷酸酶（Protein Tyrosine Phosphatase, PTP）和β-螺旋桨磷酸酶（β-Propeller Phosphatase, βPP）。这些基因的分布在不同微生物类群中呈现特异性，例如HAP普遍存在于所有测试的乳酸菌和部分酵母中，而βPP则仅在乳酸菌的乳杆菌属（Lactobacillus）中检测到。某些菌株（如植物乳杆菌）甚至同时含有两种不同类型的植酸酶基因（HAP和βPP），暗示其可能存在功能冗余或协同作用，以适应复杂环境。对推导出的氨基酸序列进行多序列比对和系统发育分析，揭示了每种植酸酶类型内部存在高度保守的功能基序，这些基序被认为在催化过程中起关键作用，同时序列中也存在可变区域，可能与其底物特异性、稳定性等功能差异相关。
3.4. 植酸铁与植酸酶相互作用的计算机模拟
为了在分子水平上阐释植酸酶高效降解植酸铁的机理，研究进行了计算机模拟。首先利用密度泛函理论（DFT）在模拟水相条件下优化了植酸铁分子的三维结构，获得了其最稳定的构象，并分析了其物理化学性质（如高极性、亲水性）。随后，将该优化后的植酸铁结构作为配体，与从蛋白质数据库（Protein Data Bank, PDB）中获取的四种代表性植酸酶（HAP: 4E3W, PTP: 1PTY, βPP: 1H6L, PAP: 6GJ2）的晶体结构进行分子对接。对接结果显示，所有四种植酸酶与植酸铁之间均存在较高的结合亲和力（结合能均为负值）。对接结果进一步揭示了植酸铁分子通过常规氢键、碳氢键、金属-受体相互作用（与铁离子配位）等多种方式与各酶活性中心的关键氨基酸残基（如HAP中的组氨酸、PTP中的天冬氨酸、βPP中的赖氨酸、PAP中的天冬酰胺等）发生相互作用，形成稳定的酶-底物复合物。这些精细的相互作用网络从结构上解释了不同类别植酸酶能够有效识别并结合植酸铁底物，进而催化其水解的分子基础。
4. 结论与未来展望
本研究系统地表征了摩洛哥小麦地方品种中内生乳酸菌和酵母菌所产植酸酶的潜力。结果表明，这些微生物植酸酶在降解植酸铁方面具有远超小麦内源PAP酶的高效催化能力。遗传学分析揭示了HAP、PTP和βPP三类微生物植酸酶的存在及其特异性分布。分子对接模拟从结构生物学角度证实了这些酶与底物植酸铁之间存在高亲和力结合，并识别出关键催化残基。该研究为开发基于内生微生物的新型生物策略（如生物引发、发酵剂）来提高小麦制品中铁的生物利用度提供了坚实的科学依据。未来研究可集中于高产菌株的筛选、酶性质的优化（如耐酸性、热稳定性）、以及在实际食品加工体系中的应用评估，以期最终为应对全球铁营养不良这一公共卫生挑战提供一种天然、可持续的解决方案。
