工程化新型M23肽酶StM23_CWT：靶向李斯特菌的生物防控利器及其在食品安全中的应用潜力

为解决食品工业中李斯特菌（Listeria monocytogenes）耐药性和生物膜顽固性问题，波兰科学院团队通过结构改造将嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）的M23肽酶催化域与葡萄球菌（Staphylococcus pettenkoferi）的细胞壁靶向域（CWT）融合，创制出嵌合酶StM23_CWT。该酶对含meso-DAP型肽聚糖的革兰氏阳性菌（如李斯特菌、枯草芽孢杆菌）展现高效裂解活性，能在宽pH（6-11）和高盐（≤250 mM NaCl）条件下破坏生物膜并清除不锈钢、玻璃等食品加工表面污染。斑马鱼、蛾幼虫及人类细胞实验证实其安全性，为食品工业提供了新型生物防控工具。成果发表于《Scientific Reports》。

　　

研究背景与意义
李斯特菌是即食食品污染的主要元凶，能引发孕妇、老年人等高危人群的致命感染。传统消毒剂和抗生素因耐药性、破坏食品品质等问题逐渐失效，而该菌在低温环境和生物膜中的顽强存活更让食品工业头疼不已。面对这一挑战，科学家将目光投向了一类能精准“爆破”细菌细胞壁的武器——肽聚糖水解酶（PGH）。这类酶如同“分子剪刀”，可针对特定病原体实现“精准打击”，且不易诱发耐药性。

研究设计与方法
波兰科学院蛋白质工程实验室联合挪威食品研究所，从嗜热链球菌NCTC10353中鉴定出一种新型M23家族肽酶StM23，其晶体结构（PDB ID: 9GY1）显示典型的锌离子结合活性中心（HxxxD/HxH基序）。为提升性能，团队将StM23催化域与葡萄球菌Pettenkoferi的SH3b细胞壁靶向域（CWT）融合，构建嵌合酶StM23_CWT。通过X射线衍射（1.35 ?分辨率）、浊度降低实验（TRA）、扫描/透射电镜（SEM/TEM）及斑马鱼胚胎毒性测试等多维度手段，评估了酶的活性、稳定性和安全性。

关键研究发现

1. StM23的结构与活性特征
   StM23与经典M23酶（如溶葡萄球菌素lysostaphin）仅有31%序列相似性，但其活性中心通过His⁴²-Asp⁴⁶-His¹²³三元组协调锌离子，实现肽聚糖水解。该酶对含meso-DAP型肽聚糖的菌种（如李斯特菌DSM 19094、枯草芽孢杆菌DSM 10）表现出70%和65%的OD降低率，但对革兰氏阴性菌活性有限。

2. 嵌合改造突破性能瓶颈
   融合CWT域的StM23_CWT在100 mM NaCl下仍保持活性，而天然StM23在50 mM NaCl即失活。更惊人的是，嵌合酶“解锁”了新靶点：原本耐受的金黄色葡萄球菌NCTC 8325-4和粪肠球菌DSM 2146的OD降低率分别达60%和45%。电镜显示，该酶能在62.5 nM（MIC值）下撕裂李斯特菌细胞壁，导致胞质泄漏（图5）。

3. 实战场景验证
   针对食品厂分离的6株李斯特菌（如MF7703），StM23_CWT在1 μM浓度下实现84.15%生物膜杀灭（与乳酸链球菌素nisin相当），5 μM时达98%。不锈钢、玻璃等表面处理后，活菌数降至检测限以下（图4C）。

4. 安全性背书
   斑马鱼胚胎（96 hpf）和蛾幼虫（Galleria mellonella）实验显示零毒性，人类角质细胞（HaCAT）和小鼠成纤维细胞（NIH 3T3）存活率>95%（图6）。

结论与展望
该研究通过“催化域+靶向域”的模块化设计，打造出兼具广谱性、环境耐受性和安全性的抗菌酶StM23_CWT。其突破性在于：①填补了碱性环境（pH 11）下高效抗李斯特菌工具的空白；②为耐药菌防控提供了“精准打击”新策略；③在食品加工设备去污领域展现工业化潜力。未来需探索其在复杂食品基质（如奶酪、肉制品）中的稳定性，以及对抗多菌种生物膜的能力。

术语说明

• meso-DAP：细菌肽聚糖中一种特殊的二氨基庚二酸交联桥
• SH3b域：能特异性识别细菌细胞壁多肽的结构模块
• MIC（最小抑菌浓度）：完全抑制细菌生长的最低药物浓度