反应动力学是挖掘酶催化过程限速因素的重要手段，而基于限速因素进行酶结构改造更加具备针对性。因此，两者的结合能够有效提升酶工程的效率，但相关研究鲜有报道（Cheng et al., Chemical Engineering Journal 452 (2023)138997）。环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）能够催化分子间糖基转移反应合成糖苷，对应产物在食品、医药、日化等领域有广泛应用。当以麦芽糊精为糖基供体时，该反应可通过两条路径实现：一是麦芽糊精与糖基受体发生歧化反应，二是麦芽糊精先环化形成环糊精后与糖基受体发生偶联反应。通过动力学研究发现，第一条路径（歧化反应）有更高的糖苷合成效率，但酶倾向于催化环化反应。因此，对环糊精糖基转移酶催化选择性的调控是提升其催化分子间转糖基效率的关键。
研究团队结合催化机制，对影响环化和歧化反应的关键氨基酸残基进行了改造，最终得到了四点突变体。该突变体催化歧化反应的效率提升了4倍，而催化环化反应的效率降低了85%，选择性得到了显著调控。对应的，突变体催化合成糖苷的活性达到了野生型的20.3倍。本研究展示了将反应动力学和酶工程相结合的巨大潜力，同时为环糊精葡萄糖基转移酶在糖苷合成过程中的工业应用奠定了研究基础。
相关工作以“Kinetics guided engineering of cyclodextrin glycosyltransferase with enhanced intermolecular transglycosylation activity”为题发表在《AIChE Journal》。生物工程学院陈小龙教授团队青年教师陈翰驰为本文的第一作者。研究得到了浙江省自然科学基金的支持。
图1. 环糊精糖基转移酶的选择性催化过程
图2. 环糊精糖基转移酶催化过程的动力学研究
图3. 酶结构改造后催化分子间转糖基效率得到提升
