课题基金 / 基金详情

蒜氨酸酶的微生物资源分布趋向及关键酶分子催化机制研究

批准号:
42077214
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
杨春玉
依托单位:
学科分类:
环境生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨春玉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
大蒜素独特的生理活性使其具有抗菌、保护心血管、抑制肿瘤等多种医疗作用。针对化学合成污染或植物蒜氨酸酶催化合成大蒜素的酶提取率低等问题,本项目拟围绕微生物来源的蒜氨酸酶这一科学问题进行深入系统研究。以分析不同作物根系土壤的微生物群落结构和产酶微生物为起点,系统研究:(1)产蒜氨酸酶的微生物资源分布趋向与特点,阐述其环境因子关联性;(2)分离获得系列产酶微生物,构建产蒜氨酸酶微生物资源库;(3)结合基因组分析、粗酶液纯化及简并引物扩增等手段,对关键酶进行序列分析鉴定并预测其在微生物中的生理功能和代谢途径;(4)优化异源表达体系获得高表达蛋白,通过生物信息学手段对蒜氨酸酶的序列和结构进行分析,结合定点突变等手段解析其分子催化机制。预期研究结果不仅为大蒜素的生物合成提供丰富的微生物酶资源库,还能为蒜氨酸酶的定向改造和应用提供坚实的理论支撑。
英文摘要
The unique physiological activities of allicin confer it various medical functions, such as antibiosis, cardiovascular protection, tumor inhibition, etc. Due to the contamination of allicin chemosynthesis or the low extraction efficiency of alliinase from plants in its enzymatic synthesis, our project intends to focus on the key science problem— allinase for systematic and in depth research. Starting with a the analysis of microbial community structure and enzyme-producing microorganisms in rhizosphere soils of different crops, to systematically study the following content: (1) The distribution trend and characteristics of alliinase-producing microbial resources will be explored, with its correlation of environmental factors to be investigated; (2) A series of enzyme-producing microorganisms will be isolated, for the bank of alliinase-producing microbial resources to be constructed; (3) The methods, such as genome analysis, crude enzyme purification, degenerate primer amplification, etc., will be combined to carry out the sequence analysis and identification of key enzyme, as well as to predict its physiological functions and metabolic pathways in microorganisms; (4) The sequence and structure of alliinase will be analyzed by bioinformatics tools and the optimization of the heterologous expression system will be implemented to get the highly expressed protein, the molecular catalytic mechanism of which will be analyzed by site-directed mutagenesis. It is expected that our research results will not only provide a rich pool of microbial enzymes for the biosynthesis of allicin, but also a solid theoretical support for the directional modification and application of alliinase.
硫代亚磺酸酯类化合物(如植物源大蒜素)独特的生理活性使其在抗菌、抑制肿瘤等方面具有广泛的应用价值。如何实现其高纯度高活性生产是亟待解决的关键问题。本项目针对关键酶—植物蒜氨酸酶开展微生物酶资源挖掘,首次从微生物中挖掘并鉴定出高活性功能酶并开展了基于结构的催化机制解析和理性改造研究。首先建立了基于组学分析、高通量活性筛选模型的酶挖掘技术体系。靶向筛选出功能微生物并鉴定出能够催化新底物亚砜类化合物的C-S裂解酶MetC和PatB。进一步以高活性蛋白序列为探针,针对底物立体特异性和酸碱催化等特性,从不同环境中筛选获得30余种不同催化性能的微生物并对关键酶进行异源表达和表征,建立了涵盖多种微生物、多种C-S裂解酶的微生物功能酶资源库并发现这类酶具有一定的环境和微生物分布偏好性。为实现产业化应用,针对酶的底物立体选择性,解析BcPatB结构并鉴定出一个影响底物立体特异性的关键Loop,获得高立体选择性的突变体。为提高产物稳定性,构建基于乳酸代谢的厌氧平台,从宏基因组数据库中捕获两个酸性酶LdPatB和MePatB。获得并解析5种酶与辅因子PLP、底物的晶体结构,结合电性斥力理论鉴定出I型折叠PLP依赖酶中普遍存在的结构元件—辅因子PLP尾部的酸碱催化调节开关,并获得了酸性环境催化活性大幅提高的突变体。为提高酶的热稳定性,进行随机突变和理性设计并鉴定出一个V型α-螺旋结构,首次发现该结构元件能够显著提升I型折叠PLP酶的热稳定性和pH稳定性。最后,在酶的应用方面开展了生物安全菌种的异源高表达、优化合成了多种不同取代基底物,开发了在农业病原菌、根结线虫、动物替抗等领域的产品且与企业合作实现了产业化应用。该研究成果首次挖掘并建立了微生物源蒜氨酸酶资源库,基于蛋白结构解析获得的多个高适配性、影响酶底物立体选择性、酸碱催化特性和蛋白稳定性的结构元件,不仅为硫代亚磺酸酯类化合物的生物合成提供了高效催化剂,还为I型折叠PLP依赖酶的理性改造提供了新思路和理论依据。
多家族离子共转运蛋白结构模型构建及分子转运机制研究
  • 批准号:
    31870094
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    杨春玉
  • 依托单位:
NhaD型Na+/H+逆向转运蛋白的环境应答及分子转运机制分析
  • 批准号:
    31670109
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    杨春玉
  • 依托单位:
一株中度嗜盐嗜碱菌Na+/H+逆向转运蛋白转运机制研究
  • 批准号:
    31370153
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    78.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    杨春玉
  • 依托单位:
碱性造纸黑液菌群结构分析及其在黑液处理、可再生资源利用中的功能菌群和功能基因研究
  • 批准号:
    30900043
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    杨春玉
  • 依托单位:
国内基金
海外基金