近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院楊紅建教授團(tuán)隊(duì)在生物技術(shù)方向國(guó)際權(quán)威期刊 Bioresource Technology 發(fā)表原創(chuàng)性研究論文《鄰苯二酚2,3-雙加氧酶棉酚降解能力的鑒定和改進(jìn)：棉副產(chǎn)品資源化利用的新啟示》（Identification and boost of gossypol degradation ability of catechol 2,3-dioxygenase: Novel insights into resourceful utilization of cottonseed byproducts）。該項(xiàng)研究歷時(shí)2年，首次揭示了鄰苯二酚2,3-雙加氧酶的棉酚降解酶活和作用機(jī)制，并成功應(yīng)用AI驅(qū)動(dòng)的分子改良策略提升其降解效率，為新型棉酚降解酶開(kāi)發(fā)提供了靶向目標(biāo)技術(shù)策略。

蛋白飼料資源短缺一直是我國(guó)畜牧業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。棉副產(chǎn)品年產(chǎn)量達(dá)2000萬(wàn)噸以上，是重要的潛在蛋白來(lái)源，但由于游離棉酚的抗?fàn)I養(yǎng)作用，其飼料化利用率不足40%。低酚棉品種雖棉酚濃度低，但受限于纖維細(xì)度高和產(chǎn)量低的缺點(diǎn)，并未得到大面積推廣。如何攻克棉酚安全高效脫毒這一關(guān)鍵瓶頸，仍然是進(jìn)一步提高棉副產(chǎn)品飼喂價(jià)值和利用效率的必由之路。生物酶脫毒法具有環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，但目前已經(jīng)報(bào)道的棉酚降解酶類(lèi)型單一，且缺乏酶蛋白結(jié)構(gòu)-催化功能關(guān)系研究，導(dǎo)致商品化開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)薄弱。因此，進(jìn)一步挖掘棉酚降解酶新質(zhì)生產(chǎn)力資源和開(kāi)展分子改良研究具有重要的科學(xué)價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

近十年來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員圍繞瘤胃微生物對(duì)棉酚的脫毒機(jī)制開(kāi)展了大量研究工作，通過(guò)廣泛篩選，構(gòu)建了特異性棉酚高效降解菌株資源庫(kù)；深度解析了棉酚對(duì)瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律；系統(tǒng)揭示了瘤胃微生物對(duì)棉酚的代謝通路和氧化還原脫毒機(jī)制。前期研究中，團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)新性結(jié)合蛋白互作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊桶邢蚧蚯贸夹g(shù)，精準(zhǔn)定位了瘤胃源鼠李糖乳桿菌中能有效調(diào)控棉酚降解效率的關(guān)鍵基因catE (Wang Weikang et al., J. Agri. Food Chem, 2025, 73(2): 1619-1629)。本研究以該基因?yàn)榘悬c(diǎn)，通過(guò)反復(fù)比較優(yōu)化，成功構(gòu)建畢赤酵母真核異源表達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鄰苯二酚2,3-雙加氧酶CatE_W1的高效可溶性表達(dá)；整合細(xì)胞試驗(yàn)和小鼠試驗(yàn)雙層次多維度綜合評(píng)估CatE_W1降解棉酚產(chǎn)物的生物安全性；借助AlphaFold高精度建模和分子對(duì)接技術(shù)深入解析CatE_W1-棉酚復(fù)合物的三維構(gòu)象及催化口袋微環(huán)境特征；通過(guò)氨基酸虛擬飽和突變挖掘影響底物結(jié)合能及催化效率的關(guān)鍵位點(diǎn)信息，探索驗(yàn)證融合AI工具-傳統(tǒng)酶工程技術(shù)提高棉酚降解酶催化活性的可行性。

該項(xiàng)成果凝聚了團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期不懈的努力，前后歷經(jīng)數(shù)十位國(guó)內(nèi)外權(quán)威專(zhuān)家的多輪嚴(yán)格評(píng)閱與論證，最終獲得高度認(rèn)可，為棉酚降解酶資源開(kāi)發(fā)提供了新的視角。在科學(xué)層面上，首次闡明鄰苯二酚2,3-雙加氧酶降解棉酚的作用機(jī)理，構(gòu)建AI驅(qū)動(dòng)提高酶催化效率和穩(wěn)定性的研究范式；在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上，為促進(jìn)棉副產(chǎn)品資源在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的安全高效利用提供新的酶學(xué)技術(shù)途徑。

該研究在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院畜禽營(yíng)養(yǎng)與飼養(yǎng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，王煒康博士后為論文第一作者，楊紅建教授為論文通訊作者，李勝利教授、曹志軍教授、王蔚副教授對(duì)本研究給予了大力支持，劉國(guó)世教授為本研究提供了動(dòng)物試驗(yàn)便利。

該研究獲得中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助（站前）（2022TQ0367）和面上資助（2023M743806）的經(jīng)費(fèi)支持。

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