利用新技术找出肉嫩度这一古老现象的原因

当你咬一口多汁的牛排时，你想要的并不是坚硬的牛排。从坚硬到柔软的范围背后有很多科学依据。

农业、健康与自然资源学院动物科学助理教授ChaoyuZhai最近在《农业与食品化学杂志》上发表了一篇论文，利用机器学习算法解释了如何改变负责肉嫩度的酶的活性分子水平。

这是肉类科学领域的第一项研究。

一种称为钙蛋白酶(calpain)的酶，特别是calpain-1，被称为“肉嫩化酶”。Calpain-1可以切割肉中的其他蛋白质，并使这些蛋白质片段更易溶于水。肉中含有更多的碎片蛋白质分子，使其更嫩。

尽管自20世纪90年代以来，科学家们就已经了解了calpain-1在肉嫩度中的作用，但他们对如何对其进行修饰却知之甚少。

“蛋白质修饰就像一个人每天穿不同的衣服，”翟说。“它仍然是同一个‘人’，但根据装备的不同，它可能会更好地准备应对不同的工作。”

科学家们注意到，当肉用较高浓度的氧气包装时(这有助于保持颜色)，肉会变得更坚韧，但他们不知道为什么。

Zhai和他的合作者发现，脂质过氧化产物化合物的存在可以改变calpain-1的活性，从而解释了这个谜团。

“我们为我们经常看到的东西提供了新的解释，”翟说。“通过研究这一点，我们可以帮助其他研究人员了解类似的事件。”

当脂质(例如细胞膜和脂肪酸)暴露于氧气时，就会发生脂质过氧化。自由基从细胞膜的脂质中“窃取”电子，造成细胞损伤。例如，当易腐食品变质时，脂质过氧化就会发生，导致其降解并产生异味。

在本文中，Zhai重点研究了三种脂质过氧化产物：丙二醛(MDA)、己烯醛和4-羟基壬烯醛(HNE)，这些产物之前已在肉类中发现。

这些化合物分别具有三个、六个和九个碳。化合物的碳分子越多，它们的疏水性或防水性就越强。这意味着这些化合物可能在不同水平上抑制钙蛋白酶活性。

“当碳链数量增加时，这些化合物往往更具疏水性，”翟说。“它们可能会导致蛋白质发生更多的功能变化。”

翟与爱荷华州立大学的两位钙蛋白酶专家StevenM.Lonergan和ElisabethJ.Huff-Lonergan一起工作。研究团队使用人工智能算法来了解与蛋白质功能变化相对应的结构变化。

通常，为了确定蛋白质的3D结构，科学家会将其冷冻并快速捕获X射线图像。机器学习算法允​​许研究人员简单地输入蛋白质序列并确定其结构，这是一个更快、更便宜的过程。

“通过使用这些算法，我们能够更有效地理解我们的结果，并更好地解释它，”翟说。

这种方法可用于任何对蛋白质活性感兴趣的领域——一长串不同的学科。

Zhai发现HNE(他的团队测试的疏水性最强的化合物)严重降低了calpain-1的活性，但出乎意料的是，它并没有完全消除它。另一种称为己烯醛的化合物也具有类似的效果，但活性的降低不那么显着。令人惊讶的是，MDA等一些化合物在团队测试的最低浓度下却增加了calpain-1活性。

“这绝对令人惊讶，”翟说。“我们通常会假设，如果它影响活动，我们会看到减少而不是增加。”

研究小组还发现，在未暴露于空气的新鲜切割肌肉中，calpain-1已经开始发生修饰。

“人们从来没有寻找过它，”翟说。“他们认为，因为这种类型的修饰涉及氧气，所以当肉暴露在氧气中时，它会发生得更晚。事实证明，它发生的时间比人们想象的要早得多。”

在另一个领域，研究人员发现脂质过氧化与自然衰老有关，而高calpain-1活性与许多人类疾病有关，如心力衰竭和阿尔茨海默病。

身体的新陈代谢不完善并会产生副产物，例如脂质过氧化产物。这些副产物与蛋白质结合并对其进行修饰。随着它们在一生中的积累，衰老的影响越来越明显。

“这个研究方向绝对值得追求，因为它比我们想象的更常见，”翟说。“这些都是高质量的商品猪，它们被饲养得健康强壮，而且它们仍然经受住了由脂质氧化产物引起的大量蛋白质修饰，所以这非常有趣。”

这项研究的下一步是研究肉类生产中MDA和HNE等化合物会修饰哪些其他酶。

“有了更多的结果，你就会有更多的研究问题，”翟说。“如果你不寻找它们，你就找不到它们。”

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