燕麦淀粉样纤维的冷冻电镜结构揭示了表面存在有序的组氨酸阵列

《Food Hydrocolloids》：Cryo-EM structure of oat amyloid fibrils reveals ordered histidine arrays on the surface

　　

摘要

燕麦球蛋白是燕麦种子中主要的贮藏蛋白，近来研究表明其可形成具有卓越铁稳定能力的淀粉样纤维。然而，其原子级别的结构性基础仍然未知。本研究以2.9 ?的分辨率呈现了主要燕麦淀粉样纤维多态体的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构。原子模型显示，该结构具有一个紧凑的疏水核心，且无带电残基；每层有两个组氨酸残基（His418和His427）沿纤维轴堆叠，在溶剂暴露的表面上形成两条平行的行。量子化学计算表明，Fe²⁺可与组氨酸形成稳定的配位键（解离势垒：42.4 kcal/mol），为模板化亚铁铁纳米颗粒并提供规律间隔的锚定点，从而防止其氧化。这些表面组氨酸阵列可能为燕麦纤维在临床上观察到的卓越铁生物利用度提供了分子水平的解释。结合我们此前对大豆β-伴大豆球蛋白的研究，本工作建立了11S/12S球蛋白纤维化的结构框架，并为工程化设计植物纤维作为食品级矿物质强化载体奠定了基础。

引言

淀粉样纤维以其交叉β结构为特征，已从单纯的病理标志物转变为一种有前景的功能性生物材料（Bolisetty等，2019；Ke等，2020；Knowles & Mezzenga，2016；Liu等，2024；Wang等，2015、2023）。利用丰富且廉价的食品蛋白在体外制备这些纤维，为水处理、生物医学和纳米技术等领域的大规模应用提供了一条极具吸引力的途径（Palika等，2021；Shen等，2017；Su等，2024；Wei等，2017）。以动物蛋白为先导的研究，尤其是β-乳球蛋白的研究，已成功将基于淀粉样的技术商业化应用于水处理领域，并建立了该领域的基础范式（BluAct，2026；Palika等，2021）。然而，尽管取得了这些成功，动物蛋白相关的环境足迹和成本问题促使人们寻找更可持续的替代方案。在此背景下，燕麦蛋白凭借其诸多优势（如种子中含量高，为11-17%）（Liu等，2009；Mel & Malalgoda，2022；Zhou等，2024）而成为理想的候选材料。

与其他食品蛋白类似，燕麦蛋白在酸性加热条件下可转化为淀粉样纤维，并已在重金属吸附膜、可生物降解气凝胶和触觉传感器等多个领域得到应用（Wang等，2025；Xu等，2024、2025；Zhou等，2024、2025）。最近，一项里程碑式的研究确立了燕麦蛋白纤维作为一种革命性的铁强化平台，其性能超越了传统替代品（Zhou等，2025）。在一项针对缺铁女性的前瞻性交叉临床试验中，携带亚铁的燕麦纤维-铁杂合体在水中给药时，表现出高达46.2%的亚铁吸收率，比目前公认的金标准——硫酸亚铁高出76%。这一突破使燕麦蛋白纤维成为应对全球缺铁和贫血负担的变革性策略（Zhou等，2025）。

尽管在材料和营养应用领域取得了这些显著进展，但决定燕麦蛋白纤维化及其功能特性的原子级别结构因素仍然未被表征。本研究以2.9 ?的分辨率呈现了主要燕麦淀粉样纤维多态体的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构。通过将密度图与氨基酸性质分析相结合，我们将纤维核心序列分配至特定的球蛋白变体。所得原子模型揭示了一个紧凑的疏水核心，每层有两个组氨酸残基沿纤维轴堆叠，在表面上形成两条平行的行。结合我们此前对大豆蛋白淀粉样纤维的结构解析（Li等，2025），本工作进一步建立了植物来源淀粉样的结构基础。

章节摘要

燕麦球蛋白的制备

燕麦蛋白按照此前报道的方案提取（Zhou等，2022、2025）。简言之，将脱脂燕麦粉分散于超纯水中（1:10，w/v），并用6 M NaOH将pH调至10.0。室温搅拌2小时后，将悬液在3000×g条件下离心15分钟。用6 M HCl将上清液的pH调至7.0，再次离心以收集蛋白沉淀。沉淀用超纯水洗涤三次，然后重新悬浮。

燕麦淀粉样纤维的冷冻电镜结构测定

燕麦纤维采用成熟的酸解途径制备（pH 2，90°C），该方法被广泛用于植物贮藏蛋白的纤维化（Cao & Mezzenga，2019；Li等，2023、2025），此前也已被用于燕麦球蛋白的基础结构研究和功能材料制备（Liu等，2009；Zhou等，2022、2025）。冷冻电镜显微照片显示，燕麦蛋白发生自组装形成具有形态多样性的纤维（图1a），

结论

总之，我们以近原子分辨率2.9 ?测定了主要燕麦淀粉样纤维多态体的冷冻电镜结构，为这一新兴的可持续生物材料类别提供了原子级别的观察视角。我们的结构分析揭示了一个紧凑的疏水核心，无带电残基——这种架构与此前表征的大豆β-伴大豆球蛋白纤维结构（Li等，2025）形成对比，并可能解释了燕麦球蛋白相较于其他蛋白的更优纤维化效率。

CRediT作者贡献声明

李赛雅：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法学，研究调查，正式分析，数据整理。李双剑：方法学，数据整理。曹琴：方法学。方亚鹏：监督指导。曹一平：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，监督指导，项目管理，方法学，研究调查，资金获取，概念化。

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利益冲突声明

作者声明不存在已知的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述工作的呈现。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32572505）的支持。作者感谢上海交通大学仪器分析中心在冷冻电镜数据采集方面提供的帮助。

李赛雅|李双剑|曹琴|方亚鹏|曹一平

上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系，上海，200240，中国