Production of aglycone protopanaxatriol from ginseng root extract using Dictyoglomus turgidum β-glycosidase that specifically hydrolyzes the xylose at the C-6 position and the glucose in protopanaxatriol-type ginsenosides

作者: Hye-Ji Lee, Kyung-Chul Shin, Gi-Woong Lee, Deok-Kun Oh
杂志: Applied Microbiology and Biotechnology（2013）
DOI: 10.1007/s00253-013-5302-2
所属领域: 发酵工程
关键词: Aglycone protopanaxatriolBiotransformationDictyoglomus turgidumPanax ginsengPanax notoginsengβ-Glycosidase
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解决的核心问题

高效制备人参皂苷元原人参三醇（APPT），特别是首次从人参根提取物直接生产APPT

研究策略

利用来自嗜热菌Dictyoglomus turgidum的重组β-糖苷酶，该酶能特异性水解PPT型人参皂苷C-6位的木糖和葡萄糖，通过优化反应条件（pH、温度、酶浓度、底物浓度）实现APPT的高效生产

研究路线图

100%

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核心内容

该研究利用来自嗜热菌Dictyoglomus turgidum的重组β-糖苷酶，首次实现了从人参皂苷R1和人参根提取物直接生产原人参三醇（APPT）。该酶能特异性水解PPT型人参皂苷C-6位的木糖和葡萄糖，对Rf、Rg1、Re、R1、Rh1、R2的比活性依次为0.794、0.209、0.152、0.067、0.009、0.001 U/mg。研究优化了反应条件，确定最适pH为6.0、温度为80°C。在最优条件下，从R1经R1→R2→Rh1→APPT途径24小时转化摩尔产率达75.6%，生产力为15 mg/L/h；从Rf和Rg1经Rh1中间体6.6小时即可完全转化，生产力高达1515 mg/L/h。利用人参根提取物为底物时，从三七根提取物（PPT型皂苷1.35 mg/mL）20小时产生0.62 mg/mL APPT，摩尔产率81.2%；从人参根提取物24小时产生0.54 mg/mL APPT，摩尔产率43.2%。与黑曲霉来源的β-葡萄糖苷酶相比，Rf转化产率提高9.6%，生产力提高280倍。该研究实现了迄今最高浓度、产率和生产力的APPT制备，为APPT的工业生物转化奠定了基础，但该酶无法水解Re和Rg2中的α-L-鼠李糖，仍需开发底物特异性更宽的酶以提高根提取物的总转化率。

创新点

首次报道从人参皂苷R1和人参根提取物生产APPT；在APPT浓度、产率和生产力方面均达到迄今最高水平；揭示了新的转化途径R1→R2→Rh1→APPT

研究对象（1）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Escherichia coli ER2566	PPT型人参皂苷水解途径	β-糖苷酶基因（GH3家族，GenBank: YP_002352162）	D. turgidum β-糖苷酶	催化	重组表达于E. coli ER2566，特异性水解PPT型人参皂苷C-6位木糖和葡萄糖

关键发现

重组D. turgidum β-糖苷酶对PPT型人参皂苷的比活性顺序为Rf>Rg1>Re>R1>Rh1>R2，分别为0.794、0.209、0.152、0.067、0.009、0.001 U/mg。APPT生产的最适条件为pH6.0、80°C、酶10.6 U/mL、底物1 mg/mL。在优化条件下，从R1经R1→R2→Rh1→APPT途径24h转化摩尔产率75.6%，生产力15 mg/L/h
从Rf和Rg1经Rh1中间体6.6h完全转化为APPT，生产力1515 mg/L/h。从Panax ginseng根提取物（PPT型皂苷2.29 mg/mL）24h产生0.54 mg/mL APPT，摩尔产率43.2%，生产力23 mg/L/h
从Panax notoginseng根提取物（PPT型皂苷1.35 mg/mL）20h产生0.62 mg/mL APPT，摩尔产率81.2%，生产力31 mg/L/h。与Aspergillus niger β-葡萄糖苷酶相比，Rf转化产率提高9.6%，生产力提高280倍。

研究结论

本研究首次利用D. turgidum β-糖苷酶从人参皂苷R1和人参根提取物生产APPT，该酶特异性水解C-6位木糖和葡萄糖，实现了迄今最高浓度、产率和生产力的APPT制备，为APPT的工业生物转化奠定了基础。但该酶不能水解Re和Rg2中的α-L-鼠李糖，需进一步开发具有更宽底物特异性的酶以提高根提取物中APPT的总转化率。