一、

文章科普简介（此部分由AI生成）

POPOLAR SCIENCE INTRODUCTION

改造酶蛋白，让烟酸（维生素B3）的生物合成更高效

这是一个关于酶“变身变强” 的趣味故事！科学家利用分步序列优化技术，对腈水解酶进行了不碰核心区的“远端微改造”，一次性解锁三大超强能力。首先是耐热体质升级，远端突变在酶分子内部构建了新的盐桥、π-π 堆积与疏水填充结构，让酶的寡聚体更紧致、更有刚性，高温环境下也不会轻易散开、失活，热稳定性显著提升。其次是反应速度拉满，突变间接优化了底物结合通道，能稳稳把底物锁定在近攻击构象，让催化路径更短、反应更快，催化效率大幅提高。最后是抗压能力强化，经过修饰的酶表面大大减少了与烟酸分子的有害结合，避免产物堵住活性中心、抑制酶活，让酶可以轻松耐受高浓度烟酸，为高效转化提供坚实保障。这套神奇的远端改造，让普通酶一跃成为烟酸（维生素B3）生物合成的高性能催化剂，不仅活力更强、寿命更长，还能高效高产烟酸，为工业生物合成带来了更绿色、更高效的新方案。

二、

文章背景简介

BACKGROUND INTRODUCTION

烟酸又被称为维生素B3、尼克酸、维生素PP，属于B族维生素，是人体必需的13种维生素之一。烟酸是少数存在于食物（菌菇、动物肝脏、鱼类、瘦肉、全谷物、坚果等）中且相对稳定的维生素，烹调及储存后不易大量流失。烟酸的化学名称为3-吡啶甲酸，分子式为C6H5NO2。烟酸在体内可转化为烟酰胺，后者是辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）的必需组分。  

作为辅酶NAD+和NADP+的必需组分，烟酸是维持正常新陈代谢所必需的，会参与体内糖类、脂肪和蛋白质的分解代谢及氧化还原反应。烟酸缺乏可引起糙皮病，典型症状为皮炎、腹泻及痴呆。此外，大剂量使用烟酸时还具有调节血脂作用，可降低胆固醇和甘油三酯，升高高密度脂蛋白，是重要的调脂药物类别。

因此，烟酸是食品、饲料、医药领域不可或缺的核心原料，广泛应用于营养强化、医药中间体合成及动物饲料添加。

此外，烟酸的衍生物烟酰胺单核苷酸（NMN）作为NAD+的高效中间体，近年来被很多人视为有潜力的抗衰活性物质，备受关注。

目前，生产烟酸的传统化学合成法存在高污染、高能耗、反应条件苛刻、产物纯度低等问题，而以腈水解酶为核心的生物催化路线，是烟酸绿色低碳、高效环保生产工艺的理想方案。但天然腈水解酶普遍存在催化活性低、热稳定性差、可溶性表达弱等技术痛点，严重限制工业化应用。

2026年，江南大学Laichuang Han等（通讯作者为周哲敏教授，zhmzhou@jiangnan.edu.cn）在国际权威期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（IF 6.2，农林科学1区TOP期刊）发表了题为“Improvement of Activity, Stability, and Soluble Expression of Nitrilase through Stepwise Sequence Optimization for Highly Efficient Synthesis of Nicotinic Acid”的文章。

团队创新性采用逐步序列优化策略，整合PROSS自动化组合突变设计与SPIREDFitness适应性导向优化两大技术，对腈水解酶进行精准远端残基改造，在不改变催化口袋的前提下，成功构建出“全能型” 优质突变体PD1F4，实现烟酸高效、高耐受、高稳定性生物合成，为绿色生物制造产业提供高性能工业酶与可复制的改造范式。

三、

文章摘要

ABSTRACT

本研究针对天然腈水解酶在烟酸生物合成中活性低、热稳定性差、可溶性表达弱、产物耐受性低的瓶颈问题，采用逐步序列优化策略，联合 PROSS 组合突变设计与 SPIREDFitness 适应性导向优化方法，对腈水解酶突变体 C57E10 进行远端残基改造，获得最优突变体PD1F4。

结果表明，PD1F4较起始突变体比活力提升2 倍以上，50℃半衰期由10.53 min显著提升至123.40 min，可溶性表达与产物耐受性大幅改善；全细胞催化可实现烟酸终浓度达272 g/L，且可循环使用3 轮。分子动力学模拟证实，远端突变通过稳定酶寡聚体结构、锁定底物近攻击构象、减少酶与产物有害结合，同步提升酶的催化效率、热稳定性与产物耐受性。该研究提供了高效烟酸合成生物催化剂，建立了可复制的工业酶远端改造范式，为绿色生物制造提供重要理论与技术支撑。

四、

思维导图（此部分由AI生成）

MIND MAP

五、

所用到的主要方法

METHODS

1. 菌株与基因操作方法

2. 计算机辅助酶设计

3. 实验筛选与表征

4. 酶学性质分析

5. 放大催化与循环验证

6. 分子机制解析

六、

文章的主要内容

CONTENTS

本研究以烟酸绿色生物制造为目标，选用催化口袋已深度进化的腈水解酶突变体C57E10作为起始模板，重点解决其在工业化应用中存在的催化效率不足、热稳定性差、可溶性表达偏低等关键问题。团队不改变酶的底物特异性与催化中心结构，仅通过远端残基的逐步序列优化，实现酶整体性能的全面突破。

1. PROSS 辅助的组合突变设计

研究首先采用PROSS 自动化设计工具，基于蛋白结构与多序列比对进行组合突变设计，固定催化活性中心与底物结合口袋，仅对远端位点进行突变筛选，最终获得5点组合突变体PD1。该突变体在催化活性、热稳定性与可溶性表达三个维度同步提升，在37℃高温诱导下仍可保持良好的可溶性，为后续工业发酵奠定基础。

2. SPIREDFitness 适应性导向优化

为进一步挖掘酶的性能潜力，研究以PD1为模板，引入SPIREDFitness 蛋白大语言模型进行适应性（Fitness）导向优化。通过全序列单点饱和突变预测、多轮迭代组合与高通量筛选，最终获得最优突变体PD1F4。该突变体在保持底物专一性的同时，实现了活性、稳定性、耐受性的三重跃升。

3.纯酶学性质表征

系统酶学表征结果显示，PD1F4的比活力较出发菌株C57E10提升2倍以上；50℃条件下酶活半衰期从10.53 min大幅提升至123.40 min，热稳定性提升超10倍；最适温度由35℃提高至40℃，更适应工业高温反应环境。在100 mL 放大体系中，PD1F4全细胞催化剂可耐受高浓度烟酸积累，终产量达到272 g/L，远高于原始菌株的106 g/L，并可稳定重复使用3个催化周期，表现出优异的工业应用潜力。

4.远端突变实现性能飞跃的机理解析

为揭示性能提升的分子本质，团队通过分子动力学模拟、分子对接、近攻击构象NAC 分析等手段进行机制解析。研究证实，远端突变通过新增盐桥、π-π堆积作用与疏水填充，使酶的寡聚体结构更紧凑、刚性更强，高温下不易解聚失活；同时优化底物结合通道，将底物稳定在近攻击构象，显著提高催化效率；此外，突变还降低了酶表面与烟酸分子的有害结合，大幅提升产物耐受性，从而实现高浓度高效转化。

（1）稳定酶的空间结构：远端突变通过在酶分子内部新增盐桥、π-π堆积作用与疏水填充，使酶的寡聚体结构更加紧凑、刚性更强，有效抑制了高温条件下酶分子的解聚与失活，显著提升了热稳定性。

（2）优化催化反应效率：远端突变间接优化了底物结合通道，能够将底物分子稳定在近攻击构象，缩短催化反应的反应历程，从而显著提高催化效率。

（3）提升产物耐受性：突变修饰降低了酶表面与烟酸分子的有害结合，减少了产物对酶活性中心的抑制作用，大幅提升了酶对高浓度烟酸的耐受性，为高浓度产物的高效转化提供了保障。

总之，本研究完整建立了“计算设计-突变构建-功能筛选-机制解析” 的工业酶改造流程，成功获得可用于工业化烟酸生产的高性能腈水解酶突变体PD1F4，同时提出一套不改动催化口袋、仅优化远端残基即可突破酶性能瓶颈的通用策略，为腈水解酶及其他工业酶的定向进化提供重要参考与可复制范式。

       原文标题 : 腈水解酶序列改造，实现烟酸（维生素B3）高效生物合成