极端微生物来源的高耐受性超氧化物歧化酶的发现与表征及其工业应用潜力

本研究针对传统超氧化物歧化酶(SODs)在极端条件下稳定性不足的问题，从极端微生物中筛选出两种锰依赖型SODs（Os SOD和Gt SOD）。通过结构解析与功能验证，发现其可在80?°C、pH?3.0–12及氧化/变性剂条件下保持高活性，催化效率达107 ?M?1 ·s?1 级，为抗氧化治疗和工业酶制剂开发提供新策略。

　　

在生命活动中，活性氧(ROS)既是信号分子又是潜在毒物。当ROS积累超过细胞清除能力时，会引发氧化应激，导致癌症、心血管疾病等病理过程。超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)作为抗氧化防御系统的核心酶，能将超氧阴离子(O₂
^?
•)转化为H₂
O₂
和O₂
。然而，传统SODs在高温、极端pH或氧化环境下易失活，严重限制了其在工业发酵、医药等领域的应用。如何获得高稳定性的SOD成为亟待解决的难题。

针对这一挑战，研究人员从极端微生物中寻找解决方案。极端微生物长期进化出适应高温、强酸等恶劣环境的特殊酶系统。该团队聚焦两种嗜热菌——Oceanobacillus saliphilus
和Geobacillus thermoleovorans
，成功分离出锰依赖型SODs（Os
SOD和Gt
SOD），并系统评估了其稳定性与催化性能。相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。

研究采用生物信息学筛选、基因合成与重组表达技术，结合酶动力学分析和结构解析手段。通过圆二色谱、荧光光谱评估构象稳定性，采用Pyrogallol自氧化法测定酶活，并利用分子动力学模拟探究结构适应性。

研究结果

1. Isolation of SODs exhibiting high tolerance from organisms inhabiting extreme environments
   通过基因组挖掘从极端环境微生物中锁定Os
   SOD和Gt
   SOD基因。序列分析显示二者具有典型Mn-SOD特征，但含更多疏水氨基酸与盐桥网络。

2. Materials
   构建pET28a重组质粒，在E. coli
   BL21(DE3)中高效表达。纯化后酶比活性达2.5×10⁴
   ?U/mg，SDS-PAGE显示单一条带。

3. Discussion
   结构分析揭示其稳定性机制：①紧密折叠的疏水核心；②增强的金属结合位点(Mn²⁺
   配位几何)；③耐热性盐桥。酶动力学显示k
   _cat
   /K
   _m
   达10⁷
   ?M^?1
   ·s^?1
   ，80?°C处理4h后仍保留>90%活性。

4. Conclusion
   Os
   SOD和Gt
   SOD在15–80?°C、pH?3–12范围内保持高活性，耐受6?M尿素和5% H₂
   O₂
   。细胞实验证实其可有效清除ROS，减轻炎症反应。

意义与展望
该研究首次系统表征了极端微生物来源Mn-SODs的极端耐受机制，其卓越的稳定性突破了传统SOD的应用瓶颈。在工业领域，可作为高温发酵过程的抗氧化添加剂；在医药领域，为开发新型抗氧化剂（如抗辐射、抗衰老制剂）提供候选分子。未来通过蛋白质工程进一步优化其催化效率，有望拓展至更多应用场景。研究团队由Zhengqun Li领衔，Naying Zhang、Dongsheng Wei等共同完成，体现了多学科协作的创新价值。