一种解淀粉芽孢杆菌丝氨酸蛋白酶可减少主要室内过敏原ELISA可检测表位：Fel d 1结合界面的计算建模

《Science of The Total Environment》：A Bacillus amyloliquefaciens serine protease reduces ELISA-detectable epitopes of major indoor allergens: Computational modeling of the Fel d 1 binding interface

　　

摘要

来自宠物和尘螨的室内过敏原是一种持续性的生物污染物，对人类健康构成重大风险，但有效且环境可持续的控制策略仍然有限。在这里，我们分离出解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）Ba2501，该菌株分泌一种枯草蛋白酶家族丝氨酸蛋白酶。全细胞共培养实验表明，Ba2501能够降低三种主要室内过敏原——Fel d 1（猫）、Can f 1（狗）和 Der p 1（尘螨）——的ELISA可检测表位。Der p 1 和 Fel d 1 的ELISA信号在48–72小时内几乎无法检测（分别降低99.86%和100%），而 Can f 1 则表现出较为缓慢的下降趋势（72小时时降低67.83%）。为获得结构层面的见解，我们以 Fel d 1 为模型进行了分子对接、200 ns 分子动力学模拟和 MMPBSA 分析。枯草蛋白酶–Fel d 1 复合物展现出大面积的埋藏界面（2392 ?²），由盐桥、短氢键和疏水接触稳定。逐残基能量分解鉴定了驱动该相互作用的关键界面残基。这些发现为蛋白酶介导的过敏原识别提供了结构基础，并将解淀粉芽孢杆菌 Ba2501 确立为一个极具前景的候选菌株，可用于开发环境可持续的酶基策略，以减轻室内过敏原暴露并改善室内空气质量。

引言

影响全球30%–40%人口的过敏性疾病，正日益被视为一项重大的环境健康负担（Alska 等，2025）。由于个体高达90%的时间在室内度过，室内过敏原暴露——包括来自宠物（如猫 Fel d 1、狗 Can f 1）和屋尘螨（如 Der p 1）的过敏原——构成了一种持续且复杂的生物危害（Arbes Jr 等，2004；Perfetti 等，2004）。这些蛋白质过敏原常在家庭环境中共存，并可能协同作用以引发和加重呼吸系统及皮肤类疾病，包括哮喘、过敏性鼻炎和特应性皮炎。它们稳定的结构和微小的粒径使其易于通过空气传播并沉积于肺部深处，使得有效控制变得困难，从而构成了显著的公共卫生负担（Beheshti 等，2024）。室内空气质量已被认为是人类整体环境的重要组成部分，但与室外空气污染相比，其监管力度仍显不足。持续性生物污染物——特别是来自宠物和尘螨的蛋白质过敏原——的存在加剧了这一挑战，因为其稳定性和空气传播特性使得有效控制变得复杂。因此，开发环境友好的室内过敏原控制干预措施已构成一项迫切的公共卫生需求。

目前的室内过敏原管理策略主要依赖于物理清除（如使用HEPA过滤器的真空吸尘器）、化学变性剂（如单宁酸）和非特异性生物制剂（Beheshti 等，2025；Jiang 等，2025）。然而，这些方法往往存在不完全清除、缺乏持续效果、潜在化学残留物或无法同时有效作用于多种致敏蛋白等局限性。因此，日益增长的迫切需求是开发靶向性、高效且环境友好的解决方案，能够在分子水平上降低蛋白质过敏原的ELISA可检测表位。

酶法生物修复为过敏原控制提供了一个有前景的替代方案，利用微生物蛋白酶固有的特异性和催化效率，将致敏蛋白水解为无免疫原性的片段（Meng 等，2020）。该方法能够在源头实现精准降解，最大程度地减少过敏原的反复出现，同时避免使用刺激性化学品。然而，鉴定出兼具高活性、广泛底物识别能力和在室内条件下具有实际稳定性的蛋白酶仍然是关键挑战。

值得注意的是，尽管已有大量微生物蛋白酶被报道能降低过敏原的ELISA可检测表位，但大多数研究侧重于经验性效果，而非蛋白酶–过敏原识别的分子基础。本研究采用了一种不同的战略方法：我们将实验性表位降解实验与深入的计算结构分析相结合，不仅回答表位是否丢失的问题，还探讨蛋白酶如何识别其底物。以 Fel d 1 为模型过敏原，我们首次呈现了一个枯草芽孢杆菌与完整的主要过敏原形成复合物后的原子级模型，并通过200 ns 分子动力学模拟和逐残基能量分解加以支持。这一整合框架鉴定出了特定且可检验的残基，可用于未来的蛋白质工程，并建立了一种可重复的方法学，用于研究其他蛋白酶–过敏原组合。因此，本报告不仅报道了另一种产生蛋白酶的菌株，更提供了一个新的战略方向，即通过结构指导的方式理解和优化过敏原控制酶。

在本研究中，我们分离并表征了一株产生蛋白酶的环境解淀粉芽孢杆菌（Ba2501）菌株。我们证明了其分泌的丝氨酸蛋白酶能够降低三种主要室内过敏原——Fel d 1（猫）、Can f 1（狗）和 Der p 1（尘螨）——的ELISA可检测表位。为阐明该活性的分子基础，我们以 Fel d 1 为模型进行了深入的计算机分析。通过一种整合了实验性表位降解动力学、分子对接、分子动力学模拟和结合能分析的综合方法，我们系统地研究了蛋白酶–过敏原之间的相互作用。我们的发现鉴定出了一个极具前景的微生物候选株，可用于过敏原控制，并为开发靶向性酶策略以降低环境过敏风险提供了结构基础。

章节片段

样本采集、分离及蛋白酶活性的筛选

于2025年9月至10月间，在中国南京的三户养宠家庭中采集了空气中的细菌，室内温度为22–26 °C，相对湿度为50–65%。我们选择养宠家庭作为采样点，因为这类家庭通常含有较高水平的宠物皮屑来源的蛋白质过敏原，这可能有利于产蛋白酶细菌的存在。空气中的细菌采用被动沉降板法采集。营养琼脂（NA）平板

细菌菌株蛋白酶活性的筛选

从养宠（狗和/或猫）家庭室内空气中总共分离出60株细菌。其中，菌株2501在脱脂牛奶琼脂平板上培养24小时后形成了一个明显的透明圈，表明具有胞外蛋白酶活性，因此被选中进行进一步研究（图1A）。亚甲蓝简单染色后显微镜检查显示，该菌株呈杆状营养细胞并伴有芽孢（图1B）。为确定其分类学身份，对菌株2501

讨论

室内过敏的日益流行推动了人们不断努力开发有效且可持续的过敏原清除策略。常见的室内过敏原——如来自尘螨、猫、狗、啮齿动物和蟑螂的过敏原——在家庭环境中广泛存在且往往持续存在，使得完全消除变得困难。因此，识别有效的过敏原去除方法仍然是过敏管理的关键（Beheshti 等，2024）。在此背景下，

CRediT作者贡献声明

周淑馨：撰写初稿、验证、软件、方法论、调查研究、正式分析、数据管理、概念构思。张云山：撰写初稿、验证、软件、方法论、调查研究、正式分析、数据管理、概念构思。蒋海楼：验证、方法论、调查研究、数据管理、概念构思。楚玮华：撰写审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源、项目管理、资金支持

资金来源

本研究由江苏高校优势学科建设工程（PAPD）资助。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能会影响本文所述工作的内容。

周淑馨|张云山|蒋海楼|楚玮华

中国药科大学生命科学与技术学院微生物学与合成生物学系，南京，210009，中国