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摘 要

玉米赤霉烯酮（ZEN）是广泛存在于饲料和加工食品中的生物毒素，可极大地损伤动物及人体健康，如何筛查降解这些毒素的生物酶则是现代酶学的重要课题。计算机分子对接技术通过表征酶和底物之间的能量与空间结构匹配，进而模拟它们互相识别的过程，它被广泛地应用于筛选活性物质、初步判断分子活性和毒性等领域。为此，本文应用分子对接技术试从解毒菌株的基因组中筛查ZEN的降解候选酶、预测相关的解毒机制。我们首先从玉米赤霉烯酮分子中提取三类毒素小分子碎片，然后从文献报道的解毒菌株基因组中抽取水解酶和氧化还原酶，并建立酶库，最后我们采用Schrödinger分子对接软件的Maestro模块，模拟了毒素碎片与若干酶库分子的分子对接，并给出了相应的毒素的解毒机制。本文的计算为玉米赤霉烯酮的生物降解研究提供了新的依据和参考。

关键词：玉米赤霉烯酮 分子对接 解毒菌株基因组 Schrödinger Maestro

Molecular fragment docking simulation for screening detoxification enzyme:

A case study of zearalenone degradation

Abstract

Zearalenone (ZEN) is a biotoxin that widely exists in feed and processed foods. It can greatly damages the health of animals and human beings. Screening bioenzymes to degrade toxins has been an important topic in modern enzymology. Computer molecular docking technique simulates the process of enzyme recognizing its ligands by determining their energetic and structural matches, and it has been widely used in screening active substances, preliminarily evaluating molecular activity and toxicity and so on. In this work, we used molecular docking technology to searching candidate enzymes from a detoxification strain genome for ZEN degradation. We first determined a few small molecular fragments from the ZEN molecule, and then extracted typical hydrolase and oxidoreductase from the genome and built an enzyme dataset. Finally, we use the Maestro module of the molecular docking package Schrödinger to simulate the docking between toxin fragments and several candidate enzyme molecules. The simlations also showed possible detoxification mechanisms. Our calculations provides candidate enzymes that might be used for further experimental screening in the biodegradation of zearalenone.

Key Words: Zearalenone; Molecular docking; Detoxification strain genome; Schrödinger; Maestro

目录

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摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 文献综述 2

2.1 毒素ZEN 2

2.1.1 简述 2

2.1.2 效用 2

2.1.3 产源 2

2.1.4 物理化学性质 2

2.1.5 污染程度及限量要求 3

2.1.6 分析方式 5

2.1.7 危害及防治 5

2.1.8 脱毒方法 6

2.2 分子对接 7

2.2.1 一般原理和发展 7

2.2.2 分类类型 8

2.2.3 分子对接软件 8

2.3 目的和思路 9

2.3.1 研究目的 9

2.3.2 研究思路 9

第三章 材料和方法 10

3.1 材料 10

3.1.1 候选酶的3D结构获取 10

3.1.2 底物碎片小分子结构的获取 12

3.2 方法 13

第四章 结果与分析 19

4.1 分子对接的结果 19

4.2 分子对接的分析 22

第五章 结论 26

第六章 参考文献 27

第七章 附录 31

第八章 致谢 32

1. 绪论

目前，食品安全在世界上已经是人们的普遍关注点，而食品安全有着相当广泛的涉及领域，影响食品安全的因素有很多，尤其是从农场到饭桌这一条输送链的任何一个步骤中所出现的一切意外，其中包括种植、养殖、加工、包装、运输、储藏、销售等等环节。而在生物毒素当中，如真菌毒素、植物毒素和动物毒素易造成广泛的危害，其中在食品安全中真菌毒素是主要的生物毒素危害，也是现今科学家们热烈研究的热点以及重点所在。为此，国家也设定了“Key technologies for food safety”重大专科项目利用先进技术控制一些化学性或者生物性的来源性危害。

本文选择从患有赤霉病的玉米中得到的玉米赤霉烯酮（ZEN）作为研究对象，我们也知道ZEN大大污染了粮食作物，对人和动物的机体健康造成了严重的影响和负担，也给人类造成了极大的经济损失。因而ZEN的脱毒研究对于保障谷物质量安全可以说是一项紧迫而重要的任务之一。现今，已经有越来越多的国家对ZEN的研究工作重视起来并开始实施，大体研究方向主要还是ZEN检测、微生物处理、危害和理化清除措施等方面。对于ZEN的脱毒研究，传统的物理化学方法存在较大的缺点，不能有效去除谷物中的毒素，并且谷物中的营养物质会受到破坏，造成食品和饲料中的物质分子的流失，影响食物口感，甚至还会造成二次污染的产生，因此ZEN的生物降解技术成为目前毒素降解研究的热点，而运用生物学方面的工程技术对毒素进行处理在未来有很大的利用价值，意义非凡，如果研究成功还会大大提高食品卫生安全。

鉴于实验过程中的高额成本以及实验失败率的逐渐增加，我们采用计算机分子对接的方式来对ZEN解毒酶的解毒机制进行预测评估分析，从而在其中寻找到新的方法来降解玉米赤霉烯酮。首先，我们利用实验室以及网上资源对毒素结构进行分析，实现毒素分子碎片化的可能性处理。然后，根据毒素小分子碎片中官能团的化学特性寻找到对应的水解酶或者氧化还原酶。最后，利用schrodinger分子对接软件进行碎片-候选酶的有效对接，通过碎片组合分析，表征毒素的解毒机制。

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