体外多酶体系催化合成氨基葡萄糖

氨基葡萄糖（Glucosamine，GlcN，氨糖）是葡萄糖的2位羟基被氨基取代后的化合物，是一种广泛存在于有机体中的重要功能单糖。氨糖及其衍生物，在医药、食品、化妆品等方面应用十分广泛，具有广阔的市场。随着人口老龄化的加剧、运动人群的增加以及氨糖更广泛的应用的开发，全球氨糖的需求量持续上升。

目前，氨糖主要通过酸水解、酶水解甲壳素获得，存在环境污染严重、底物原料来源受限、易引起特殊体质人群过敏反应等缺陷。利用工程菌发酵葡萄糖是目前绿色安全的氨糖生产方法，但是发酵产物为乙酰氨糖，还需要额外的酶水解或酸解过程将乙酰氨糖转化为氨糖，不能通过一锅法进行氨糖生产，同时在酶水解或酸解过程中容易造成环境污染，因此，亟待开发一种低成本、低污染、环境友好的生产氨糖的新方法。

中国科学院天津工业生物技术研究所游淳研究员团队开发了一种基于体外多酶体系的氨糖合成新方法。基于体外多酶体系可操作性强、产品得率高、反应速度快的优点，他们通过五个核心酶的磷酸解—异构化—氨基化—脱磷酸作用，将淀粉和无机氨转化为氨糖（图1）。得益于脱磷酶（GlmP）催化的热力学容易发生的不可逆脱磷反应，该多酶体系理论上能够得到化学计量的淀粉到氨糖的生物转化。通过对数据库及文献检索分析，他们挖掘获得了酶活高、反应条件一致、表达量高的酶元件。通过对关键脱磷酶的仔细甄别，获得了目前报道的具有最高氨糖-6磷酸（GlcN6P）底物专一性的脱磷酶GlmP。

图1. 催化淀粉和无机氨转化为氨糖的体外多酶体系。αGP：α-葡聚糖磷酸化酶；PGM：磷酸葡萄糖变位酶；PGI：磷酸葡萄糖异构酶；GlmD：氨糖6-磷酸脱氨酶；GlmP：氨糖6-磷酸脱磷酶；G1P：葡萄糖1-磷酸；G6P：葡萄糖6-磷酸；F6P：果糖6-磷酸；GlcN6P：氨糖6-磷酸；P_i：无机磷。

将上述挖掘获得的酶元件与底物、缓冲液组成多酶催化体系进行产氨糖反应。经计算模拟分析，结果证明该体外多酶体系能够实现淀粉到氨糖的转化。之后，经过反应条件优化（初始pH值、酶添加量、镁离子浓度、铵盐浓度），在最优反应条件下，该体外多酶体系催化10 g/L淀粉生成7.2 g/L氨糖，底物摩尔转化率达到69.1%。除此之外，为了提高α-葡聚糖磷酸化酶对底物的利用率，他们向反应体系中添加了4-α-葡聚糖转移酶（4-α-glucanotransferase，4GT），将多酶体系催化淀粉到氨糖的摩尔转化率提高到75.8%。

为了测试该体外多酶体系的工业应用潜力，他们用较高浓度的底物进行了生物转化反应。实验结果显示，将淀粉浓度提高到50 g/L后，反应30小时，氨糖的浓度达到23.7 g/L，摩尔产率为47.7%（图2）。本研究新开发的氨糖生物制造系统具有制备方法简单、产品合成成本低、环境友好等特点，代表了下一代工业化氨糖生产技术，有利于促进氨糖及其相关产业的技术升级和规模扩大。

图2. 体外多酶体系催化高浓度底物合成氨糖。

这一成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者是中科院天津工生所孟冬冬副研究员，通讯作者为游淳研究员。

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