《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：L-Asparaginase bioprospection from Bacillus species
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本文综述了 L-天冬酰胺酶（L-ASNase）在急性淋巴细胞白血病（ALL）等癌症治疗和食品工业（丙烯酰胺减排）中的重要作用，重点探讨了从 Bacillus属细菌中发现新型 L-ASNase 的最新进展。文章系统总结了从各种环境（如土壤、海洋、盐湖）中分离出的 Bacillus菌株（如 B. halotolerans、B. subtilis、B. altitudinis等）所产 L-ASNase 的酶学特性，强调其相比当前临床使用的 E. coli和 Erwinia chrysanthemi来源酶，具有无谷氨酰胺酶活性、免疫原性低、易于纯化（多为胞外酶）以及热稳定性和 pH 耐受性好等优势，是克服现有疗法不良反应和局限性、开发更安全有效药物的理想候选者。
L-天冬酰胺酶：从 Bacillus中发现下一代抗癌与食品工业用酶
引言
L-天冬酰胺酶（L-ASNase）是一种广泛应用于急性淋巴细胞白血病（ALL）和一些实体瘤治疗方案的关键酶。其作用机制在于消耗天冬酰胺，这是一种肿瘤细胞生长所必需、而正常细胞可自行合成的氨基酸。目前，临床上仅批准使用来自大肠杆菌（Escherichia coli）和菊欧文氏菌（Erwinia chrysanthemi）的 L-ASNase。然而，其应用常因副作用和耐药性的产生而受限。为应对这些挑战，研究者们正积极探索 L-ASNase 的新来源，特别是细菌来源，以期获得稳定性更高、免疫原性更低、药代动力学性质更优的酶。近期研究在 Bacillus属中发现了有前景的 L-ASNase 候选者，本文将综述从 Bacillus物种中分离新型 L-ASNase 的最新进展，强调生物勘探对于改进肿瘤疗法的重要性。
L-天冬酰胺酶概述
L-天冬酰胺酶属于酰胺水解酶类（EC 3.5.1.1），负责水解 L-天冬酰胺，释放 L-天冬氨酸和氨3). Extracellular depletion of L-asparagine inhibits protein synthesis in leukemic cells (which often lack sufficient asparagine synthetase), causing cell-cycle arrest and apoptosis">。除了在肿瘤治疗中的核心作用，L-ASNase 也被用于食品工业，以减少高温加工食品（如油炸和烘焙产品）中致癌物丙烯酰胺的含量。鉴于其治疗和工业价值，寻找具有更高效率、更低成本和更少不良反应的替代性微生物来源 L-ASNase 成为研究热点。
L-ASNase 在癌症治疗中的局限与挑战
尽管 L-ASNase 在治疗中效果显著，但其临床应用仍面临一系列挑战。主要问题包括：由伴随的谷氨酰胺酶和脲酶活性引发的毒性（如过敏反应、肝功能障碍、胰腺炎）；细菌蛋白固有的免疫原性，可能导致中和抗体产生，影响疗效；以及肿瘤细胞通过上调天冬酰胺合成酶（ASNS）或代谢重编程产生的耐药性。目前，通过化学修饰（如 PEG-天冬酰胺酶）或开发新来源酶来克服这些限制是主要研究方向。
探寻新的 L-ASNase 微生物来源
多种生物能产生 L-ASNase，但细菌来源因其抗肿瘤特性、生态友好性和生产经济性而备受关注。其中，能够分泌胞外酶的菌株更具优势，可简化纯化流程。研究者们已从土壤、海洋生态系统、极端环境等多种生境中筛选出多种产酶细菌，包括 Escherichia coli、Pseudomonas aeruginosa、Bacillus subtilis等。值得注意的是，Bacillus属细菌因其广泛分布、抗逆性强、常被公认为安全（GRAS）或非致病性、易于基因操作，且通常为胞外产酶，已成为极具潜力的 L-ASNase 生产菌株。
Bacillus物种来源的 L-ASNase
一系列研究报道了从不同环境中分离到的 Bacillus菌株可高效生产 L-ASNase。例如，从伊朗东阿塞拜疆省土壤分离的 B. subtilis在优化条件下酶活可达 7.8 U/mL；从秘鲁 Maras 盐田分离的耐盐菌株 B. subtilisCH11 产酶比活高达 234.38 U/mg；从沙特红海分离的 B. licheniformis产酶无谷氨酰胺酶活性，比活为 36.08 U/mg。土壤因其丰富的微生物多样性，是发现产酶菌株的重要宝库，如 B. subtilisNo. 28 的酶活可达 272.5 IU/mL，B. paramycoidesMRS4 达 118 IU/mL。B. megateriumH-1 产的酶应用于炸薯条可减少 92% 的丙烯酰胺生成。
分子生物学技术也被用于发掘和改良 Bacillus来源的 L-ASNase。例如，对分离自伊朗盐湖的 Bacillussp. SL-1 的 ansA1基因进行克隆表达，所得酶具有高热稳定性和宽 pH 耐受性（4.5–10）。
海洋来源的 Bacillus也展现出巨大潜力。分离自巴基斯坦的 B. halotoleransASN9 产的酶比活高达 3,083 U/mg，且无谷氨酰胺酶活性，对白血病细胞具有细胞毒性。分离自印度海洋沉积物的 B. niacini、B. altitudinisKB1 和 CMFRI/Bal-2，以及来自红海的 B. velezensis均能产生活性良好的 L-ASNase，并显示出抗癌潜力。这些海洋酶通常具有适应特殊环境的稳定性。来自土耳其鸡内脏的 B. atrophaeus产的酶能减少炸薯条中 80% 的丙烯酰胺。
这些研究表明，Bacillus属的遗传和生态多样性导致其 L-ASNase 产量和特性存在显著差异，突显了持续勘探和表征这些菌株的重要性。
对比分析与优势候选株
综合分析发现，Bacillus来源 L-ASNase 的研究主要围绕生物过程潜力和生化特性优化两个方向。多数研究关注高产菌株的发现和发酵优化，如 B. subtilisNo. 28 和 B. paramycoidesMRS4 的报道。胞外分泌特性是其一大优势，可显著简化下游纯化。另一部分研究则深入表征了纯化后的酶学性质，涌现出多个明星候选：B. halotoleransASN9（比活 3083 U/mg，无谷氨酰胺酶活性）、B. altitudinisCMFRI/Bal-2（比活 149.6 U/mg，高底物亲和力，Km = 14.75 μmol/L，生理条件下稳定）、B. subtilisCH11（比活 234.38 U/mg）和 B. velezensis（比活 31.77 U/mg，对癌细胞具细胞毒性）。然而，不同研究间实验方法的异质性使得直接横向比较存在困难，亟需标准化的表征方案。
在更广阔微生物版图中的定位
与当前主流临床来源（E. coli和 Erwinia chrysanthemi）相比，Bacillus来源的 L-ASNase 展现出综合性优势。它兼具 GRAS 或非致病性、常为胞外分泌（简化生产）、常无谷氨酰胺酶活性（降低毒性）、具有优良的耐热耐 pH 性（工业应用潜力），以及易于基因工程改造等特点。这些特性使其不仅能作为现有临床酶的替代品，更有可能成为具有更好耐受性和更易生产的“下一代”酶。同时，其在食品工业（如减少丙烯酰胺）中的应用也展现出巨大前景。
未来展望
未来研究应聚焦于：1. 对最有潜力的候选酶进行标准化的生化与动力学比较分析；2. 利用理性蛋白质工程进一步优化酶的特性，如提高热稳定性、底物特异性，以及通过表位屏蔽设计降低免疫原性；3. 探索超越 PEG 化的新型药物递送系统；4. 在相关白血病和实体瘤动物模型中开展严谨的临床前研究；5. 利用 GRAS 宿主或食品级 Bacillus菌株优化可持续、可扩展的生物生产工艺；6. 探索与天冬酰胺合成酶（ASNS）抑制剂等药物的联合疗法，以应对耐药性。
结论
本综述汇集了有力证据，表明 Bacillus物种是极具前景的 L-ASNase 来源。从不同生境中发现的 Bacillus菌株能生产出具有高比活性、常无谷氨酰胺酶活性、易于纯化（胞外酶）且稳定性好的 L-ASNase。这些特性直接针对了现有疗法的核心缺陷，为开发更安全、更有效的抗癌药物和食品工业用酶奠定了坚实基础。未来需要结合多学科手段，推动这些有潜力的生物催化剂从实验室走向临床和工业应用。
