Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

几十年来，科学家们一直在寻找一种能够打破尼古丁成瘾束缚的生物学方法。这个想法很简单：如果你能在体内引入一种酶，在尼古丁到达大脑之前将其迅速破坏，那么吸烟的冲动或许就会消失。大自然已经为这项工作提供了一个候选者。一种在土壤中发现的细菌——恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）——产生一种名为 NicA2 的酶，可以将尼古丁转化为一种无害物质。然而，这种天然版本有一个重大缺陷。在细菌内部，这种酶就像一台需要特定伙伴才能工作的专门化机器，这个伙伴是一种被称为细胞色素（cytochrome）的微小蛋白质。如果没有那个伙伴，这种酶的工作效率会非常低，与氧气的反应极其缓慢，以至于在人体患者身上使用时需要极大的、不切实际的剂量才能发挥作用。研究人员曾尝试通过在实验室中调整酶的结构来使其变得更快，但却碰壁了。这种酶本身拒绝在没有伙伴的情况下利用氧气变得更快。

为了寻找更好的解决方案，研究团队决定不再试图修理旧机器，而是去寻找一个全新的机器。他们在土壤和烟草废料中搜寻能够将尼古丁作为唯一食物来源的细菌，希望能找到一种能高效与氧气协同工作的天然进化酶。他们准确地找到了所寻找的目标，那是一种名为嗜冷芽孢杆菌（Peribacillus frigoritolerans）NIC8 的菌株。这种从未吸食过的香烟中分离出的微生物，拥有一套独特的酶，它们是真正的氧化剂。与缓慢且依赖伙伴的 NicA2 不同，这些新酶（被命名为 Ncox 和 Pnox）可以抓取尼古丁及其化学近亲——伪氧尼古丁（pseudooxynicotine），并仅利用空气中的氧气就能快速将其分解。当以氧气为燃料时，它们的反应速度几乎是原始 NicA2 的近千倍，这为治疗成瘾提供了一条充满希望的新路径。

这段旅程始于一个简单的观察。研究人员从烟田和香烟头中采集样本，并将它们放置在只有尼古丁可供食用的培养皿中。大多数细菌都饿死了，但有一个菌落生长得十分旺盛。基因分析确定这一幸存者是嗜冷芽孢杆菌的一个菌株，该物种此前已知存在，但并不以食用尼古丁闻名。当研究人员从该细菌中移除一个被称为质粒（plasmid）的特定 123,000 个碱基对的 DNA 环时，该生物立即失去了在尼古丁上生长的能力。这证明了其饮食的秘密被编码在这段额外的遗传物质上。在该质粒内部，研究人员发现了两个紧挨在一起的基因，他们将其命名为 ncox 和 pnox。这些基因产生的酶看起来与著名的 NicA2 相似，但又足以说明它们是独立进化的。

为了理解这些酶是如何工作的，团队利用大肠杆菌（E. coli）在实验室中生产了这些酶，并观察它们在行动中的表现。他们观察到，当 Ncox 酶遇到尼古丁时，它几乎瞬间从黄色变为透明，这是它正在发生化学变化的视觉信号。当 Pnox 酶遇到伪氧尼古丁（一种尼古丁分解后的第一产物在空气中停留时自然形成的物质）时，也表现出了同样的情况。至关重要的是，这两种酶都不需要伙伴蛋白来完成此过程；它们直接与空气中的氧气作用。当研究人员测量这种反应的速度时，他们发现 Ncox 处理尼古丁的速度为每秒 7.7 次，而 Pnox 处理其目标物的速度为每秒 3.9 次。这些数字远优于原始的 NicA2，在单独与氧气作用时，NicA2 每秒只能完成约 0.007 次反应。

研究人员还观察了这些酶如何处理氧分子。在一个被称为瞬态动力学（transient kinetics）的过程中，他们使用快速流式机将酶与氧气混合，以测量反应的确切速度。他们发现，Ncox 和 Pnox 与氧气的反应速率分别为每单位浓度每秒 51,100 次和 81,000 次。这些速率与自然界中其他已知的作为真正氧化剂的高效酶相当，并且比 NicA2 快了数千倍。这证实了这些新酶不仅仅是旧酶的改良版，而是本质上不同的、由进化设计出的、能够在富氧环境中无需细胞色素伙伴即可工作的机器。

为了证明这些酶确实可以在生物系统中取代缺失的伙伴，团队进行了一项拯救实验。他们选取了一株经过基因改造的原始恶臭假单胞菌，使其缺乏细胞色素伙伴，从而导致无法食用尼古丁。当他们给这株受损的细菌提供 Ncox 基因时，细菌立即恢复了在尼古丁上生长的能力。事实上，该细菌在使用新 Ncox 酶时的生长速度比使用实验室进化出的最佳版 NicA2 时还要快。这证明了新酶可以在生物系统中独立且高效地运作，绕过了原始酶所需的复杂细胞机制。

研究还揭示了细菌如何调节这些酶。通过比较细菌在生长于尼古丁与生长于另一种食物源时的遗传活性，研究人员看到，当尼古丁存在时，Ncox 和 Pnox 的基因会被高度开启。这表明细菌在环境中遇到尼古丁时，会自然地利用这些酶进行消化。遗传分析进一步显示，这些酶可能进化自其他细菌中的一个共同祖先，但它们采取了与土壤细菌中的 NicA2 不同的进化路径。虽然 NicA2 仍然受限于细胞色素系统，但这些新的酶则进化为直接利用氧气，这可能是因为它们所栖息的特定环境更倾向于这种更简单、更快速的方法。

这一发现对于未来治疗成瘾具有重要意义。使用酶治疗尼古丁成瘾的主要目标是足够快地清除血液中的药物，以防止大脑感受到“快感”。原始的 NicA2 酶由于需要极高的剂量才能在没有细胞色素的情况下发挥作用，这在生产上既困难又昂贵，因此难以实现治疗目的。而新的 Ncox 酶凭借其与氧气快速作用的能力，提供了一个更具实际意义的方案。它是一种天然存在的、高效的工具，不需要那些限制其前任性能的复杂细胞伙伴。尽管研究人员指出，该酶仍需进一步测试以确定是否可以针对人类用途进行优化，但这一发现提供了一个强大的候选者，大自然已经对其进行了精炼，使其能够以治疗所需的速率进行工作。