2-O-α-D-glucosyl glycerol production by whole-cell biocatalyst of lactobacilli encapsulating sucrose phosphorylase with improved glycerol affinity and conversion rate
- 作者
- Yue Cui, Zhenxiang Xu, Yanying Yue, Wentao Kong, Jian Kong, Tingting Guo
- 单位
- State Key Laboratory of Microbial Technology, Shandong University
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2024）
- DOI
- 10.1186/s12934-024-02586-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
蔗糖磷酸化酶（SPase）合成2-O-α-D-葡萄糖基甘油（2-αGG）时，甘油作为葡萄糖基受体的亲和力低、转化率低，制约了2-αGG的生产效率。
研究策略
从乳酸菌和双歧杆菌中筛选SPase，选择来自Lb. reuteri SDMCC050455的LrSP（具有最佳转糖苷活性），在食品级菌株Lb. paracasei BL23中利用NICE系统过表达LrSP，并通过化学透性化处理（Triton X-100）构建全细胞生物催化剂，优化反应条件以提高甘油的亲和力、平衡转化率和产量。
核心内容
针对蔗糖磷酸化酶合成2-O-α-D-葡萄糖基甘油时甘油亲和力低、转化率不高的问题，该研究从乳酸菌和双歧杆菌中筛选蔗糖磷酸化酶，选定转糖苷活性最优的LrSP（2-αGG占总产物86.01%），将其在食品级菌株Lb. paracasei BL23中通过NICE系统过表达，胞内酶活较原始菌株提高6.67倍，达93.50 U/mg蛋白。随后采用3% Triton X-100透性化处理构建全细胞生物催化剂，其初始正向反应速率达50.17/s，在17小时内实现80.79%的平衡转化率。在1 M蔗糖和1 M甘油条件下，全细胞催化最终2-αGG产量达203.21 g/L，生产力47.06 mM/h，较纯酶体系平衡转化率提高23.89%，生产力提高9.10倍，初始速率提升4.24倍。结果表明，基于食品级菌株构建的透性化全细胞催化剂能有效改善甘油亲和力并大幅提升2-αGG生产效率，为工业化生物制造提供了可行方案。
创新点
['首次将食品级菌株Lb. paracasei作为细胞工厂重组表达LrSP并构建全细胞生物催化剂用于2-αGG生产', '通过细胞透性化处理显著提高全细胞催化活性，初始正向反应速率和转化率均大幅提升', '全细胞催化剂相比纯酶系统平衡转化率提高23.89%，生产力提高9.10倍，且使用较低底物浓度获得优异产量']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lactobacillus reuteri SDMCC050455 | 蔗糖磷酸解/转糖苷 | LrSP | 蔗糖磷酸化酶（LrSP） | 催化 | 来源菌株，其SPase转糖苷活性最高，2-αGG占86.01% |
| Lactobacillus acidophilus SDMCC050288 | 蔗糖磷酸解/转糖苷 | LaSP | 蔗糖磷酸化酶（LaSP） | 催化 | 来源菌株，SPase活性较低 |
| Bifidobacterium longum SDMCC050402 | 蔗糖磷酸解/转糖苷 | BISP | 蔗糖磷酸化酶（BISP） | 催化 | 来源菌株，SPase活性较低 |
| Lactobacillus paracasei BL23 | 2-αGG生物合成 | LrSP（重组） | 蔗糖磷酸化酶（LrSP） | 催化 | 全细胞生物催化剂宿主，细胞内SPase活性提高6.67倍 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 重组蛋白表达 | LrSP, LaSP, BISP | 相应蔗糖磷酸化酶 | 催化 | 用于酶纯化和生化表征 |
关键发现
['筛选出三个SPase，其中LrSP转糖苷活性最高，2-αGG占总产物86.01%', '纯LrSP的初始正向反应速率为11.83/s，110 h达到平衡转化率56.90%，2-αGG产量144.36 g/L（1 M蔗糖和1 M甘油）', 'Lb. paracasei BL-SP胞内SPase活性比Lb. reuteri SDMCC050455提高6.67倍（达到93.50 U/mg蛋白）', '经3% Triton X-100透性化后，全细胞生物催化剂的初始正向反应速率提升至50.17/s，转化率80.79%（17 h内）', '全细胞催化下最终2-αGG产量203.21 g/L，生产力47.06 mM/h', '全细胞催化剂的k_initial比纯酶提高4.24倍，平衡转化率比纯酶提高23.89%，生产力提高9.10倍']
研究结论
以食品级菌株Lb. paracasei为基础构建的全细胞生物催化剂能够高效生产2-αGG，显著改善了甘油的亲和力和转化率，为2-αGG的工业化生物制造提供了有潜力的方案。