关于葡聚糖的酶催化聚合体系,有哪些酶可以催化反应,我希望这些酶已经商业化,或者可以被原核表达系统表达,或者说已有研究体系发现它们的聚合模式可以得到可控的分子量。
葡聚糖的酶催化聚合体系涉及多种酶,这些酶能够催化葡聚糖的合成,并且在商业化、原核表达或分子量可控的聚合模式方面已有研究。
1. 葡聚糖蔗糖酶 (Dextransucrase, EC 2.4.1.5)
葡聚糖蔗糖酶是广泛研究和应用的一类酶,主要由乳酸菌(如明串珠菌属、链球菌属和乳杆菌属)产生 。
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催化反应与聚合模式:
- 葡聚糖蔗糖酶从蔗糖中合成葡聚糖,其主要通过 α-(1,6) 糖苷键连接葡萄糖单元,并可能形成 α-(1,3) 糖苷分支 。
- 例如,来自 Leuconostoc mesenteroides NRRL B-1299 的葡聚糖蔗糖酶 (dsrA) 产生的葡聚糖由 85% 的 α-(1,6) 键和 15% 的 α-(1,3) 键组成,在麦芽糖存在下合成的寡糖主要由 α-(1,6) 键组成 。
- Leuconostoc citreum JZ-002 菌株提取的葡聚糖蔗糖酶 DsrB 可以合成分子量为 2.45 × 10 Da 的葡聚糖,其中 64% 为主链 α-(1,6) 糖苷键,34% 为支链 α-(1,3) 糖苷键 。
- 在麦芽糖作为受体存在时,葡聚糖蔗糖酶的反应会转向寡糖形成,但也会出现副产物葡聚糖 。麦芽糖作为受体对葡聚糖合成的抑制作用强于乳糖和葡萄糖 。然而,也有研究表明麦芽糖不能控制和降低葡聚糖的分子量分布,有或无麦芽糖的合成葡聚糖具有相同的分子量分布特征 。
- 葡聚糖蔗糖酶的活性受多种因素影响,例如,Ca²⁺ 离子可以刺激葡聚糖蔗糖酶的产生并恢复 EDTA 引起的活性下降 。Mn²⁺ 离子可以轻微激活重组和天然葡聚糖蔗糖酶的活性,而 Cu²⁺ 或 Al³⁺ 离子则强烈抑制其活性 。Zn、Cd、Pb、Hg 和 Cu 离子在不同程度上具有抑制作用 。
- 葡聚糖蔗糖酶的活性位点大小已被发现比之前报道的短 49 个氨基酸 。
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原核表达系统表达:
- 多种葡聚糖蔗糖酶基因已成功克隆到 Escherichia coli (大肠杆菌) 等原核表达系统中进行表达。
- 来自 Leuconostoc mesenteroides CGMCC 1.544 的葡聚糖蔗糖酶基因 dsrX 已克隆到 pET-28a(+) 载体中,并在 E. coli BL21(DE3) 中表达为 N-末端 His₆ 标签融合蛋白,表达量达到总细胞蛋白的 24.5% 。
- 来自 Leuconostoc mesenteroides B-1299 的截短葡聚糖蔗糖酶 DsrE563ΔCD2ΔGBD (DsrE563-1) 和 DsrE563ΔCD2ΔVR (DsrE563-2) 已在 E. coli 中表达为活性酶 。
- 来自 Leuconostoc mesenteroides B-512 FMC 的葡聚糖蔗糖酶经过截短并与谷胱甘肽 S-转移酶 (GST) 融合,在 E. coli BL21 (DE3) 中表达,使其生物合成量增加了 35 倍 。
- 来自 Leuconostoc citreum KM20 的重组葡聚糖蔗糖酶 (DexT) 在 E. coli 表达系统中通过改变菌株/诱导剂组合,其活性显著提高了 12 倍 。
- Leuconostoc citreum JZ-002 的葡聚糖蔗糖酶 DsrB 成功克隆到 pET-28a-AcmA 载体中并实现了重组表达 。
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分子量可控的聚合模式:
- 通过控制酶浓度和蔗糖浓度的比例,可以酶法合成具有不同分子量的葡聚糖 。例如,在蔗糖浓度为 100-2000 mM、酶浓度为 320-1280 U 的条件下,合成的葡聚糖分子量范围可从 4680 Da 扩展到 1,320,000 Da 。
- 截短和融合的葡聚糖蔗糖酶 fTDSR-S 可以有效地进行葡聚糖生物合成和受体反应,表明其在生产具有特定性质的葡聚糖方面具有潜力 。
- 临床型葡聚糖(分子量 70 kDa)具有很高的商业价值和科学兴趣 。近年来,通过酶和生物工艺工程以及分析技术的进步,显著增强了控制葡聚糖分子量和分支模式的能力 。
2. 葡聚糖糊精酶 (Dextran dextrinase, DDase, EC 2.4.1.2)
葡聚糖糊精酶是一种转葡糖苷酶,由 Gluconobacter oxydans 等菌株产生 。
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催化反应与聚合模式:
- DDase 催化将 α-1,4 连接的葡糖基单元从供体转移到受体分子,形成 α-1,6 连接,连续的葡糖基转移导致从麦芽糊精形成高分子量葡聚糖 。
- DDase 催化麦芽糊精转化为 (寡) 葡聚糖 。
- 根据营养发酵条件,G. oxydans 会产生两种形式的 DDase:细胞内和细胞外形式 。
- DDase 的应用包括生产 (寡) 葡聚糖、转葡糖基化产物和特种寡糖 。
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商业化和研究进展:
- 20 世纪 40 年代以来,Gluconobacter oxydans 的某些菌株就被发现能产生 DDase 。
- 日本 K. Yamamoto 团队在 20 世纪 90 年代初期重新开展了 DDase 的研究,重点关注 G. oxydans ATCC 11894 产生的细胞内 DDase 的纯化和表征 。
- Y. Suzuki 及其同事进一步研究了同一菌株形成的细胞外 DDase 的性质和动力学 。
- 研究团队进一步阐述了优化 DDase 生产和葡聚糖形成的发酵过程,DDase 的表征及其作为生物催化剂的使用,以及细胞内和细胞外 DDase 之间的生理联系 。
3. 淀粉麦芽糖酶 (Amylomaltase, 4-α-glucanotransferase, EC 2.4.1.25)
淀粉麦芽糖酶能够进行双步催化过程,产生转糖基化反应 。
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催化反应与聚合模式:
- 它们水解 α-1,4'-D-葡聚糖的糖苷键,并将葡聚糖部分与新可用的异头碳转移到 α-1,4'-D-葡聚糖受体的 4'-位置 。
- 分子内反应产生环状 α-1,4'-葡聚糖 。
- 淀粉麦芽糖酶在原核生物中发现,参与糖原降解和麦芽糖代谢 。
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商业化和研究进展:
- 淀粉麦芽糖酶正被研究用于生物技术应用,如生产糖替代品、环淀粉(比环糊精大的分子,可作为疏水分子载体和封装剂,以及有效的蛋白质伴侣)和热可逆淀粉凝胶(可用作非动物明胶替代品) 。
- 极端嗜热原核生物已被研究用于鉴定淀粉麦芽糖酶,以用于需要高温或极端条件的淀粉改性过程 。
4. 葡聚糖酶 (Dextranase)
葡聚糖酶通常用于降解葡聚糖,但其与葡聚糖蔗糖酶的联合使用可以调控葡聚糖的合成和产物组成 。
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催化反应与聚合模式:
- 葡聚糖酶特异性地降解葡聚糖的 α-1,6 糖苷键 。
- 通过控制葡聚糖酶的活性、底物浓度和时间,可以获得具有良好均一性的特定分子量葡聚糖 。例如,当葡聚糖产物的分子量约为 5 kDa 时,它在溶液中呈紧凑的球形链构象 。
- 在双酶(葡聚糖蔗糖酶和葡聚糖酶)反应中加入麦芽糖受体,足够量的葡聚糖酶优先降解葡聚糖而不是受体产物,从而产生异麦芽寡糖 (IMO) 。这种方法是促进高质量功能性 IMO 高效合成的简单有效方法 。
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原核表达与商业化:
- 来自 Penicillium cyclopium CICC-4022 的葡聚糖酶已被纯化和表征,其分子量为 77 kDa,最适 pH 为 5.0,最适温度为 55 °C 。Na⁺、K⁺ 和 NH⁺ 离子可以有效提高葡聚糖酶活性,而 Cu²⁺ 和 Pb²⁺ 离子则强烈抑制其活性 。
5. 糖基转移酶 (Glycosyltransferases, GTFs) 和磷酸化酶 (Phosphorylases)
这些酶在更广泛的 α-葡聚糖合成中发挥作用。
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糖基转移酶:
- 糖基转移酶是合成多种 α-葡聚糖(如葡聚糖、变聚糖、再聚糖和交替聚糖)的有效工具 。
- 它们利用可再生且低成本的蔗糖和淀粉作为底物,合成具有各种大小、连接组成和分支程度的 α-葡聚糖 。
- GH70 家族葡聚糖蔗糖酶在从蔗糖合成具有各种结构组织的 α-葡聚糖方面已被广泛表征 。
- 糖基转移酶和 β-1,4- 和 β-1,3-葡聚糖磷酸化酶在葡聚糖合成中显示出高潜力和多功能性,无论是在工业还是学术背景下 。
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磷酸化酶 (Cellodextrin phosphorylase, CDP)
- CDP 催化的酶促反应在宏观分子拥挤条件下用于合成纤维素寡聚体水凝胶 。
- 虽然主要用于纤维素寡聚体,但磷酸化酶是通用 D-葡聚糖聚合的酶之一,可以在自下而上的合成方法中实现更精确的聚合物结构控制和功能多样化 。
总结:
在葡聚糖的酶催化聚合体系中,葡聚糖蔗糖酶是最受关注和研究最深入的酶,因为它能够直接从蔗糖合成葡聚糖,并且在原核表达、分子量控制和商业应用方面都有显著进展 。葡聚糖糊精酶虽然主要用于降解,但通过与葡聚糖蔗糖酶的联合作用,也能实现对产物组成和分子量的调控 。淀粉麦芽糖酶则在生产环淀粉等其他葡聚糖衍生物方面具有潜力 。糖基转移酶和磷酸化酶则代表了更广泛的 α-葡聚糖合成酶,尤其是在自下而上精确控制聚合物结构方面具有重要意义 。这些酶的发现和工程化为葡聚糖及其衍生物在食品、医药、化妆品和材料科学等领域的应用提供了广阔前景 .