Highly Selective Production of Compound K from Ginsenoside Rd by Hydrolyzing Glucose at C-3 Glycoside Using \beta-Glucosidase of Bifidobacterium breve ATCC 15700
- 作者
- Ru Zhang, Xue-Mei Huang, Hui-Juan Yan, Xin-Yi Liu, Qi Zhou, Zhi-Yong Luo, Xiao-Ning Tan, Bian-Ling Zhang
- 单位
- College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering; Hunan Provincial Key Laboratory of Environmental Catalysis and Waste Recycling, Hunan Institute of Engineering; Molecular Biology Research Center, School of Life Sciences, Central South University; The Affiliated Hospital of Hunan Academy of Chinese Medicine
- 杂志
- Journal of Microbiology and Biotechnology（2019）
- DOI
- 10.4014/jmb.1808.08059
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
稀有人参皂苷化合物K（CK）大规模生产的瓶颈在于缺乏能高效、选择性水解人参皂苷Rd C-3位葡萄糖苷的酶，导致转化率低、产物不纯。
研究策略
从食品级微生物Bifidobacterium breve ATCC 15700中克隆β-葡萄糖苷酶基因（BbBgl），在大肠杆菌BL21中异源表达，经Ni-NTA纯化后进行酶学表征，并用于人参皂苷Rd的生物转化，实现高选择性生产CK。
核心内容
本研究从食品级微生物Bifidobacterium breve ATCC 15700中克隆了β-葡萄糖苷酶基因BbBgl，并在大肠杆菌BL21中异源表达，经Ni-NTA纯化后系统表征其酶学性质，并用于人参皂苷Rd的高选择性生物转化。重组BbBgl以pNP-Glc为底物的比活为37 U/mg，最适pH 5.0、温度35°C，Mn²⁺显著增强活性而Cu²⁺和Hg²⁺抑制；该酶在35°C下半衰期长达180 h，对人参皂苷Rd的Km为2.7 mM。转化实验表明，在2 U/ml酶和5 mM Rd条件下12 h转化率达96%，产物以F₂为主（82%）；提高酶量至6 U/ml时12 h可将Rd完全转化为CK（4.35 mM，即2.7 g/L）。该酶还表现出优异的底物耐受性，底物浓度高达40 g/L时纯酶24 h转化率仍有85%。转化途径为Rd→F₂→CK。BbBgl兼具高选择性、高稳定性、长半衰期和高底物耐受性，适用于单酶或组合酶工艺，为稀有人参皂苷CK的克级规模高效生产提供了理想酶制剂。
创新点
首次报道来源于Bifidobacterium breve ATCC 15700的β-葡萄糖苷酶具有高选择性水解C-3位葡萄糖苷的能力，且具有高底物耐受性（40 g/L）、长半衰期（180 h）和高转化率（96%），可用于克级规模生产CK。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物转化 | BbBgl | β-葡萄糖苷酶 (BbBgl) | 催化 | 重组表达宿主，用于生产重组BbBgl |
| Bifidobacterium breve ATCC 15700 | 人参皂苷生物转化 | BbBgl | β-葡萄糖苷酶 (BbBgl) | 催化 | 基因来源菌，食品级微生物 |
关键发现
- 重组BbBgl比活为37 U/mg（以pNP-Glc为底物）
- 最适pH 5.0、温度35°C
- Mn²⁺显著增强活性，Cu²⁺和Hg²⁺抑制
- 半衰期在35°C下为180 h
- 对人参皂苷Rd的Km=2.7 mM，Vmax=39.8 μmol/mg/min
- 在2 U/ml酶、5 mM Rd条件下12 h转化率达96%，其中F₂产率82%、CK产率14%
- 在6 U/ml酶下12 h完全转化为CK（4.35 mM，即2.7 g/L）和12.4%的F₂
- 底物浓度高达40 g/L时，纯酶24 h转化率85%，粗酶达89%
- 转化途径为Rd→F₂→CK。
研究结论
BbBgl具有高选择性、高稳定性、长半衰期和高底物耐受性，是生产稀有人参皂苷CK的理想酶制剂，可用于单酶或组合酶的大规模生物转化工艺。