革兰氏阴性细菌在植物和动物中引起多种传染病。沙门氏菌和大肠杆菌感染的爆发因其严重性而经常成为头条新闻，人们不得不诉诸对抗疗法和自然疗法，这增加了医疗保健系统的负担。虽然抗生素提供了对抗细菌感染的有效解决方案，但抗生素耐药性细菌发生率的增加促使研究人员寻找其他可能的治疗方法来对抗这些感染。随着技术进步和现代医学，研究人员正在研究通过干扰基因和蛋白质水平的分子过程来在分子水平上破坏细菌致病性的可能性。

革兰氏阴性细菌因其感染能力而臭名昭著，在细胞外和/或周质空间中产生渗透调节的周质葡聚糖（OPG）——由多个葡萄糖单元组成的长链碳水化合物。最初，人们认为 OPG 是在低溶质浓度下产生的副产物，但最近的报告证实它们对于致病性、共生、细胞粘附和信号传导至关重要。

然而，参与 OPG 合成、调节和降解的酶尚不完全清楚。遗传分析表明，部分负责 OPG 合成的opgH和/或opgG基因的去除会导致细菌失去感染能力，这表明这些基因与细菌致病性存在很强的潜在联系。

尽管大肠杆菌OpgG (EcOpgG) 的结构已被阐明，但大肠杆菌OpgG 和 OpgD （分别为 EcOpgG 和 EcOpgD）的作用机制仍不清楚。了解 OPG 合成中涉及的酶及其功能机制可以为我们提供对革兰氏阴性菌致病性的重要见解，使我们能够开发出更有效的方法来应对细菌感染。

为了弥补这一知识差距，东京理科大学的 Sei Motouchi 先生、日本产业技术综合研究所 (AIST) 的 Kaito Kobayashi 博士、新泻大学的副教授 Hiroyuki Nakai 和日本东京大学的 Masahiro Nakajima 教授东京理科大学对EcOpgD和EcOpgG进行了结构和功能分析。该研究于 2023 年 9 月 21 日发表在《通讯生物学》上。

中岛教授分享了这项研究背后的动机，他告诉我们：“聚糖是重要的生物大分子，在生物体中发挥多种作用，包括致病性和共生性。它们的结构非常多样化和复杂，因此存在多种类型的酶可能会合成并降解它们。然而，我们人类只知道其中的一小部分”。

研究人员研究了模式生物大肠杆菌中 OPG 相关基因的功能。功能分析表明，大肠杆菌OpgD (EcOpgD) 是一种内切 β-1,2-葡聚糖酶，可特异性分解 β-1,2-葡聚糖。它还具有与一般糖苷水解酶 (GH) 相似的动力学特性，进一步证实了其作为 β-1,2-葡聚糖酶的身份。

使用晶体学的结构分析揭示了 EcOpgG 和 EcOpgD 的结构高度相似。然而，这两种酶具有显着不同的活性。经过进一步研究，研究人员发现形成反应途径的一些氨基酸（称为“环A”）对于酶活性至关重要并调节反应速率。EcOpgG 和 EcOpgD 的催化功能不同，可能是由于 Loop A 区域的氨基酸不同所致。LoopA 区域在这组酶中多样化，这可能导致功能多样性。然而，催化中心的基础在这组酶中是共享的。这一共同点将帮助科学家开发出可能破坏 OPG 合成并阻碍细菌感染能力的疗法。

此外，虽然这两种酶属于同一 GH 家族，但它们的结构与任何现有的 GH 酶都不匹配。因此，作者证实它们属于一个新的 GH 家族，即 GH186。这一信息为研究靶向 GH186 蛋白以阻止细菌感染进展的疗法开辟了道路。

Masahiro 教授最后解释了该研究的长期应用，“虽然已知一些革兰氏阴性植物病原体合成 OPG 具有致病性，但大多数合成其关键酶尚未确定，这阻碍了针对该病原的农用化学品的开发。我们鉴定了直接合成OPG的酶家族（GH186）并阐明了其详细功能，为我们提供了抑制病原体的新靶点（GH186），为“基于结构的农药发现”提供了坚实的基础’”。

这项研究的结果为进一步研究 OPG 和相关基因奠定了坚实的基础，并可能开创疾病管理的新时代。