综述：微生物通过类似芥子酶的酶系统与转运网络的协同作用，实现了硫代葡萄糖苷（如萝卜硫素）的转化

《Trends in Food Science & Technology》：Microorganisms Achieve the Transformation of Sulforaphane Through Active the Synergistic Action of Myrosinase-like Enzyme Systems and Transport Networks

微生物转化芥子硫苷素（RAA）为硫代葡萄糖苷（SFN）的机制研究，揭示ABC转运蛋白介导RAA摄取，磷酸化β-葡萄糖苷酶（如bglA）催化RAA水解为不稳定中间体，经非酶促重排生成SFN，MFS转运蛋白（如mfsG）促进SFN外排以降低毒性。研究系统解析了“摄取-水解-外排”协同机制及工程菌开发面临的定量分析、遗传稳定性和生物安全性挑战。

　　

王林泰|沈慧娟|王云平|吴新琦|赵汉东|罗丽萍|李金旺

教育部老年营养与健康重点实验室，北京工商大学食品与健康学院，北京100048，中国

摘要

背景

微生物转化是一种快速且高效的化学物质利用方法。然而，硫代葡萄糖苷（SFN）是一种不稳定的功能性化合物，这极大地限制了其利用率。研究表明，微生物转化技术可以提高SFN在人体内的转化效率，从而增强其抗菌、抗氧化、抗炎和抗癌作用。因此，微生物转化成为提高SFN产量的优越策略。然而，微生物转化的机制尚未完全阐明，这限制了其在食品工业中的应用。

范围和方法

为了阐明微生物转化的机制，并为SFN的微生物介导转化提供理论和实证支持，本综述系统分析了葡萄糖苷（RAA）和SFN在植物和微生物中的转化机制。

主要发现和结论

研究表明，ATP结合盒（ABC）转运蛋白或磷酸转移酶系统（PTS）转运蛋白介导RAA进入微生物细胞。微生物中的类似芥子酶的酶通过切割β-硫葡萄糖苷键来催化RAA的水解，生成不稳定的苷元中间体，这些中间体随后会发生自发的重排生成SFN。主要促进剂超家族（MFS）转运蛋白（由如mfsG基因编码）在SFN的排出中起关键作用，从而降低细胞内毒性。水解步骤与一个专门的磷酸转移酶系统相关，其中bglA（编码磷酸化β-葡萄糖苷酶）和bglF（编码PTS转运蛋白组分）等基因参与RAA的水解。总体而言，这些过程使微生物能够高效地将RAA转化为生物活性的SFN。

引言

在自然界中已经鉴定出许多能够合成类似芥子酶的酶以将RAA转化为SFN的微生物，例如土壤中的Citrobacter Wye1（Albaser等人，2016年）、Leclercia adecarboxylata（Y. Tie等人，2021年）、Shewanella baltica（Q. Ye等人，2022年）和Aspergillus NR46F13（Puspitasari等人，2024年）。在人体肠道中，有Lactobacillus plantarum、Lactobacillus acidophilus（Y. Wang等人，2024年）、Bifidobacterium longum（J. Y. Wu等人，2023年）、Escherichia coli（Y. Zhang等人，2022年）、Pediococcus pentosaceus（Arlt等人，2022年）和Bacteroides thetaiotaomicron（C. S. Liou等人，2020年）等物种。在某些细菌中，这些酶属于GH3家族的β-O-葡萄糖苷酶，或与植物中的芥子酶同源（如6-磷酸-β-葡萄糖苷酶）。微生物中类似芥子酶的酶的存在促进了胃肠道中葡萄糖苷的转化（J. Sun等人，2020年）。然而，具有类似芥子酶活性的微生物可能无法完全水解葡萄糖苷，导致SFN产量较低（Li等人，2022年）。

SFN是一种主要存在于十字花科蔬菜（如西兰花）中的关键异硫氰酸酯。SFN因其强大的抗氧化、抗炎和其他多种生理活性以及化学预防特性而受到广泛关注（Asif Ali等人，2023年；Jia等人，2024年；Marshall等人，2023年；Sharma等人，2024年；Wakasugi-Onogi等人，2023年；R. Wang等人，2023年；Z. Zhang等人，2024年；Zhao等人，2022年）。一旦植物组织受损，细胞内的RAA与类似芥子酶的酶反应会产生SFN。然而，SFN在常温、中性或酸性条件下不稳定，并且在有机溶剂中的溶解度很高，这降低了其利用率，从而限制了其应用（J. Wang等人，2025年）。因此，有必要进一步提高微生物转化效率，并迅速研究将RAA转化为SFN的微生物机制。

为了提高SFN的产量和利用率，研究人员开发了多种技术策略。在原材料阶段，温和的热处理和微生物发酵的结合使用可以有效破坏植物细胞壁，显著促进前体RAA的释放（Yan Xue等人，2020年）。这一过程有助于微生物的吸收。然而，SFN是一种高度不稳定的化合物，会迅速降解（Y. Wu等人，2021年）。长时间高温处理后，类似芥子酶的酶也会迅速失去活性，这对SFN的生产不利。在转化过程中，筛选和异源表达高效微生物类似芥子酶的酶有效地增强了酶的催化活性，并在体外实现了更高的转化率（J. Wang等人，2025年）。同时，利用基因编辑技术调节西兰花等作物中的关键基因，成功提高了RAA的含量（Zheng等人，2023年）。由于肠道微生物群的转化能力不足，为了防止SFN的过早消耗，需要采用微生物靶向递送系统将高酶产量的工程细菌精确输送到小鼠肠道，从而实现原位生成和高效吸收SFN（Y. Zhang等人，2022年）。

为了促进微生物在提高SFN人体生物利用度方面的作用，研究人员正试图阐明微生物将RAA转化为SFN的机制（Sicong等人，2018年）。在植物细胞内，SFN是由类似芥子酶的酶催化脂肪族葡萄糖苷水解形成的异硫氰酸酯（Bertova等人，2024年）。一旦RAA被水解，最初会释放葡萄糖和硫酸盐，形成一种不稳定的中间体——糖苷配基（硫代马来酸-O-磺酸酯）。随后，会发生非酶促的分子内（Lossen）重排，从而在芸苔属植物中生成异硫氰酸酯和SFN（Gu等人，2012年）。然而，微生物将RAA转化为SFN的具体机制尚不清楚。当前的研究表明，这一过程涉及一系列协调步骤，包括底物摄取、细胞内或胞质外水解以及产物排出。这一系列反应依赖于特定转运网络（如ABC转运蛋白、PTS或MFS转运蛋白）和GHs之间的协同作用。然而，这种协同作用的决定因素从根本上限制了我们选择、工程化和应用微生物菌株以进行定向SFN生产的能力。此外，将微生物SFN生产从实验室转化为实际应用面临两个关键障碍：这种不稳定化合物的准确定量和工程菌株的安全使用。可靠的分析方法对于验证转化效率和检测代谢途径至关重要，而全面的安全评估是工程细菌在食品或治疗应用中的前提条件。

本综述的主要目的是阐明整合的类似芥子酶的微生物将RAA转化为SFN的机制。该综述系统地分析了“摄取-水解-排出”过程，强调了转运系统和催化酶之间的关键协同作用。此外，还讨论了SFN的定量方法以及工程菌株所需的生物安全性、遗传稳定性和宿主-微生物组相互作用评估。通过分析不同环境中的微生物，可以为选择和改良高效微生物菌株提供理论基础，并为定向干预肠道微生物群和食品级微生物以提高SFN的生物利用度和调节肠道健康提供指导。

章节摘录

通过微生物系统提高SFN产量的策略

由于转运蛋白水平的限制，许多微生物对RAA的摄取能力较低，导致进入细胞的RAA浓度较低，从而限制了SFN转化的速度和数量。研究表明，在原材料预处理阶段进行适当的处理可以显著提高SFN的提取效率。温和的热处理会导致表位特异性蛋白（ESPs）失活，从而减少

底物摄取和产物排出是转化过程的基础

微生物将RAA高效转化为SFN从根本上依赖于两个跨膜转运过程：选择性摄取亲水性前体RAA和主动排出潜在有毒的产物SFN。因此，转运蛋白至关重要，因为它们决定了底物和产物的细胞内浓度，直接影响转化的动力学，并减轻积累的SFN可能引起的细胞毒性。

进入

PTS途径中的bglF和bglA参与SFN的产生和代谢

阐明SFN的细胞内代谢并实现高效生物制造，对其合成和代谢途径的遗传分析是必要的。根据催化位点不同的保守氨基酸残基，类似芥子酶可以分为两种类型：拟南芥中的QE型和EE型。QE型类似芥子酶在其催化位点含有Gln（Q）和Glu（E）残基。在拟南芥中，有六种QE型类似芥子酶由硫葡萄糖苷

SFN定量分析的挑战和方法学考虑

作为一种具有显著生理活性的强效异硫氰酸酯，精确定量SFN对于评估其生物活性和代谢途径至关重要。由于SFN的极端不稳定性，传统的样品处理和分析程序容易产生大量的预分析损失、衍生化偏差以及假阴性和假阳性，从而影响数据准确性。因此，建立严格且可重复的分析策略是

遗传稳定性和生物安全性是开发工程菌株的前提条件

为高产类似芥子酶或高效产生SFN而设计的基因工程微生物必须优先考虑生物安全性和遗传稳定性。这些因素是它们临床和工业应用的关键前提。尽管合成生物学可以重建微生物代谢途径并提高目标产物的产量，但不受控制的工程菌株可能会带来水平基因转移、基因组不稳定性和生态风险等严重问题（Meng等人

结论

总体而言，当前研究表明，高效的微生物SFN生产可能采用多步骤模型。RAA的摄取可能涉及专门的转运系统，其中PTS组分（如bglF）和ABC转运蛋白可能起作用。一旦被内化，RAA会被磷酸化的β-葡萄糖苷酶（由bglA或同源基因编码）水解，其活性是转化产量的关键决定因素。最后，如mfsG这样的排出系统可以将SFN排出

CRediT作者声明

概念化和初稿撰写——王林泰；方法学——沈慧娟；正式分析——王云平和吴新琦；调查——赵汉东和罗丽萍；撰写——审阅和编辑——李金旺。所有作者都已阅读并同意发表的手稿版本。

未引用的参考文献

del Carmen Martinez-Ballesta和Carvajal，2015年；Li等人，2019年；Liang等人，2025年；Liou等人，2020年；Wang等人，2022年；Wang等人，2025年；Ye等人，2022年；Zhang等人，2021年；Zhu等人，2023年。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（32302104）、第十四个五年计划国家关键研究与发展重点专项（2024YFD2100200）、北京工商大学食品风味与健康交叉创新开放项目（FFHCI-2025016）以及北京工商大学青年学者研究基金（RFYS2025）的财政支持。