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β-葡萄糖苷酶高效分泌及催化合成稀有人参皂苷Compound K的机制研究

批准号:
22108229
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:
王盼
依托单位:
学科分类:
生物化工与合成生物工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王盼

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
随着“健康中国”战略的实施,“防慢病,治未病,坚持预防为主,防治结合”的理念已成共识。稀有人参皂苷Compound K在众多疾病防治和治疗方面展现出巨大潜力,但自然来源受限、难以获取,因此如何高效低成本获得大量高纯度稀有人参皂苷Compound K是当前人参研究开发的热点之一。本项目致力于构建具有高效表达β-葡萄糖苷酶活性的酵母菌株,以高效、绿色、简洁的细胞表面展示技术制备固定化β-葡萄糖苷酶。在此基础上,基于ARTP技术的非理性诱变育种,结合液滴微流控技术具有的高通量筛选功能,极大的提高了获取目标突变株的速度。为进一步增强菌株的生产能力,突变菌株进行转录组学分析,结合反向工程手段挖掘与改造酵母关键作用靶点,强化催化表达系统。针对产物的合成,设计催化反应介质,建立高效催化合成体系。通过系统改造与优化固定化酶与反应体系的关键因素,以提升稀有人参皂苷Compound K的大规模生物制造能力。
英文摘要
With the implementation of the "Healthy China" strategy, the concept of "preventing chronic diseases, treatmenting predisease, adhering to the principle of prevention first and integrating prevention with control " has become a consensus. Rare ginsenoside CompoundK shows great potential in the prevention and treatment of a wide range of diseases. However, the natural source is limited and difficult to obtain. Therefore, how to obtain a large quantities of high-purity rare ginsenoside CompoundK with high efficiency and low cost is one of the hot spots in current ginseng research and development. This project aims to construct a yeast strain with high expression activity of β-glucosidase, and to prepare immobilized β-glucosidase by efficient, green and simple cell surface display technology. On this basis, irrational mutagenesis based on ARTP technology, combined with the high-throughput screening function of droplet microfluidic technology, can greatly improve the speed of acquiring target mutant strains. In order to further enhance the production capacity of the mutant strain, transcriptome analysis is performed, and the key action targets are excavated and modified with reverse engineering methods to strengthen the catalytic expression system. For the synthesis of CompoundK, the catalytic reaction medium is optimized and the efficient catalytic transformation system is established.
我国中医药历史悠久,是高活性天然产物挖掘的宝库。稀有人参皂苷Compound K因其在抗肿瘤、抗炎等方面的显著生物活性而备受关注。但自然来源受限、难以获取以及稳定性差等问题严重制约了其广泛应用。针对这一挑战,本项目致力于通过生物技术手段,优化稀有人参皂苷Compound K的生产过程。首先发现了一株来源于Sulfolobus solfataricus的耐热型β-葡萄糖苷酶SS-bgly,通过分子对接分析、序列比对等方法,筛选到了一个Rd水解活性显著增强的突变酶N264D。为了进一步提高酶的表达效率和稳定性,采用表面展示技术,将突变酶展示在毕赤酵母GS115的表面。通过筛选不同的细胞壁蛋白,最终确定了BGLY-SED1菌株,其酶活在发酵96小时后可达到73.12U/mL。此外,将来源于酿酒酵母的SED1启动子和信号肽,以及tCYC1作为终止子表达目的基因,使得水解活力提高了63.09%。进一步敲除毕赤酵母SED1优化底盘细胞后,水解活力又提升了9.23%。在优化菌株的同时,我们还对转化合成稀有人参皂苷CK的条件进行了深入探索。研究发现,在温度80℃、pH 6.0及3 mM LiCl的条件下,SS-bgly酶的催化转化效率显著提高。当底物浓度为30 mg/mL时,CK的产量达到了9.39 mg/mL,转化率高达82.5%。此外,该酶还表现出良好的操作稳定性,经过10批次重复使用后仍保持有效活性。为了进一步提高转化效率,我们还制备了深共晶溶剂(DES),并发现30 vol% DES的应用不仅提升了CK的收率,还保持了β-葡萄糖苷酶的结构稳定性和活性。同时,实施底物流加补料策略有效缓解了底物抑制和酶活性损失,使CK的转化率达到了91.3%。综上所述,本项目通过系统改造与优化固定化酶与反应体系的关键因素,成功提升了稀有人参皂苷Compound K的大规模生物制造能力。这一研究成果不仅为稀有人参皂苷的工业化生产提供了有力支持,也为中医药现代化和国际化发展注入了新的活力。
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