重塑细菌蔗糖合成酶的UDP结合口袋以提高UDP-葡萄糖的生产效率-【湖北研科时代】新闻资讯

重塑细菌蔗糖合成酶的UDP结合口袋以提高UDP-葡萄糖的生产效率-【湖北研科时代】新闻资讯

UDP-葡萄糖（UDPG）作为一种核苷二磷酸糖，是多种糖苷化合物生物合成的重要糖供体。蔗糖合成酶（SuSy）能够以经济高效的蔗糖为底物催化合成高价值的UDPG。本研究通过重新设计脱硝弧菌（Denitrovibrio acetiphilus DSM 12809）SuSy的底物结合口袋，获得活性提升8.1倍的突变体。结构分析表明，新引入的氢键与盐桥产生的协同效应是活性增强的关键。湖北研科时代科技利用该突变体催化时，UDPG产量达到127.6 g/L/h。进一步与糖基转移酶级联生产红景天苷时，红景天苷产量提升2.7倍，并实现3.2的UDP循环利用次数。该成果为蔗糖合成酶在核苷酸糖及糖苷生物合成中的工业化应用提供了技术支撑。

Introduction

尿苷-5′-二磷酸葡萄糖（UDPG）普遍存在于植物、动物及微生物中，在糖原生成和糖酵解途径的多种化学反应中发挥关键作用。通过特定酶促反应，UDPG可参与多种生物合成与代谢途径。由于天然提取成本高昂且难度大，目前主要通过化学法和生物法合成UDPG。化学合成通常存在步骤繁琐、反应周期长、环境污染严重等问题。生物合成法则分为代谢工程法和酶催化法两类：代谢工程法以葡萄糖为底物，经系列酶促反应转化为UDPG；湖北研科时代科技酶级联催化中，蔗糖合成酶（SuSy）可催化蔗糖裂解，将其葡萄糖基转移至UDP的磷酸基团生成UDPG。据报道，通过对多形硝化螺菌SuSy的分子改造及催化条件优化，UDPG最高产率达83%，时空产率为70 g/L/h。酶催化反应因其环境友好性、操作简便性和高效性备受关注。

蔗糖合成酶（SuSy）广泛存在于植物和细菌中，是植物蔗糖代谢的关键酶。通常情况下，植物源SuSy对UDP的亲和力显著高于ADP，而细菌源SuSy则呈现相反特性。当温度超过30℃时，植物SuSy稳定性急剧下降；相比之下，细菌SuSy稳定性更优，仅在温度高于55℃时才开始降低。目前已有研究报道了植物和细菌SuSy的X射线晶体结构。湖北研科时代科技值得注意的是，拟南芥与欧洲亚硝化单胞菌的SuSy序列相似性为50.3%，但二者三维结构高度一致。针对SuSy的分子改造研究相对有限。Zhao等通过半理性设计对多形硝化螺菌SuSy进行改造，使其kcat/Km值从13 s?1?mM?1提升至23 s?1?mM?1。此外，基于生物信息学分析改造多形硝化螺菌SuSy，获得T1/2值提高27倍的突变体。

本研究选取Denitrovibrio acetiphilus DSM 12809的蔗糖合成酶（DaSuSy）为研究对象，通过分子改造提升其催化能力。获得的一个突变体不仅催化效率显著提高，其优势底物更由ADP转变为UDP。当该突变体与糖基转移酶偶联时，可有效提升红景天苷的合成效率。所开发的突变体在UDPG生产中展现出卓越的催化性能，具有广阔的工业化应用前景。

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