课题基金 / 基金详情

清酒乳杆菌葡聚糖蔗糖酶的催化机制及功能研究

批准号:
32101923
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王斌斌
依托单位:
学科分类:
食品微生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王斌斌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
前期工作表明,清酒乳杆菌L3所产胞外多糖是一种只含有α-1,6糖苷键且存在吡喃型糖基残基的葡聚糖,在食品及医药领域展现出了良好的应用前景。基于前期转录组学结果和文献报道,葡聚糖蔗糖酶在L3葡聚糖合成过程中可能起着关键作用,然而葡聚糖蔗糖酶的催化机制及功能尚不清楚。本课题拟通过全基因组测序分析技术挖掘并确定该菌株合成葡聚糖蔗糖酶基因的数目。在此基础上,构建葡聚糖蔗糖酶基因的缺失及回补菌株,确定调控葡聚糖合成的关键葡聚糖蔗糖酶。随后利用分子模拟技术初步解析L3关键葡聚糖蔗糖酶与底物互作活性位点以及结合模式。利用截短和突变的方法对该酶催化机制进行研究。同时通过定向改造获得能够催化产生更具经济效益的低分子量葡聚糖的高性能酶及功能性葡聚糖产品。本课题不仅对阐明清酒乳杆菌L3葡聚糖蔗糖酶催化机制及功能具有重要意义,而且为定向改造葡聚糖蔗糖酶基因以制备不同类型葡聚糖产品奠定基础。
英文摘要
Previous work demonstrated that the exopolysaccharide produced by Lactobacillus sakei L3 is a dextran containing D-glucose residues with α-1,6 glycosidic linkages, and showed excellent application prospects in food processing and medicine. According to our transcriptome results and other studies, glucansucrase may play key roles in the synthesis of L3 dextran. However, the catalytic mechanisms and functions of the related enzyme(s) are still unknown. This project will utilize whole-genome sequencing to determine the number of glucansucrase in the L3 strain and construct deletion and complementation strains to identify the key glucansucrase responsible for dextran synthesis. Subsequently, the interaction sites and binding modes of the L3 key glucansucrase with the substrate will be preliminarily analyzed by molecular simulation technology. Additionally, truncations and point mutations of the key glucansucrase residues will be constructed to uncover its catalytic mechanism. Based on these mutated enzymes, functional dextran products and high performance enzymes which could yield low molecular weight dextran with excellent economic benefits can be obtained via directional modification. This project is not only of great significance for elucidating the catalytic mechanism and function of Lac. sakei L3 glucansucrase, but also lays a foundation for the targeted modification of the enzyme to yield different types of dextrans.
乳酸菌(lactic acid bacteria,LAB)是众所周知的(exopolysaccharides,EPS)生产者,乳酸菌利用底物蔗糖发酵产生葡聚糖。葡聚糖蔗糖酶(Dextransucrase)是一种以蔗糖为底物催化形成不同分子量的葡聚糖以及功能性低聚糖的高效α-转糖苷酶,但这些乳酸菌葡聚糖的关键催化酶数目以及作用方式仍不清晰。目前仅有为数不多的葡聚糖蔗糖酶被注释,难以解决葡聚糖产生菌筛选的多样性、催化产生葡聚糖的随机性等问题。且进一步研究表明不同的葡聚糖蔗糖酶显示出不同的产物特异性,其生理特性尚不明确。另外,使用直接发酵法合成葡聚糖,不仅所用成本高,而且后续的分离纯化程序繁杂,所产的葡聚糖分子粘度大、产量低,使得供不应求。而体外酶法合成葡聚糖可以节约成本、简化生产工艺和提高产量。本课题拟进一步采取全基因组测序分析技术获取Lac. sakei L3葡聚糖蔗糖酶的数目,通过基因敲除等技术解析这些葡聚糖蔗糖酶的协同催化方式。同时,利用基因工程手段克隆Lac. sakei L3葡聚糖蔗糖酶,并通过体外催化葡聚糖的合成,对酶及产物进行表征,旨在高效生产葡聚糖。. 通过全基因组的测序、组装、基因预测以及生物信息学分析,全面了解了Lac. sakei L3菌株的基因组特征,在其基因组中具有1个葡聚糖蔗糖酶基因,该基因表达量在产糖情况下显著上调。利用同源双交换系统和loxP系统构建了敲除载体并对葡聚糖蔗糖酶(dex)基因进行了敲除,敲除菌株产糖量显著减少。随后,利用基因克隆技术成功构建重组葡聚糖蔗糖酶工程菌株,该酶的最佳诱导条件为菌体起始浓度OD600为0.4、诱导剂IPTG浓度为0.1 mM、诱导温度为16℃、诱导时间为18 h。该酶活性的最适反应温度为30℃,最适pH为5,Ca2+基本上不影响酶活。体外酶法合成葡聚糖分子量为5882 Da,与菌株发酵产生的葡聚糖分子量相比显著降低,其结构由α-D-葡萄糖单元主要通过α-(1→6)糖苷键(约80%)连接而成的线性主链和少量α-(1→3)糖苷键连接而成的分支结构组成。同时发现该酶具有较高的热稳定性等优良特性。.
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