嗜热古细菌淀粉普鲁兰酶双功能催化机制的解析与水解活性的定向进化

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31671801
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C2002.食品生物化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

It is very urgent to find new amylases with high optimal temperature and high hydrolytic activity towards α-1,6-glycosidic linkages for one-step enzymatic conversion of normal cereal starch into linear maltodextrins. In our previous research, two thermophilic archaeal amylopullulanases, SMApu and CMApu, with different action patterns towards starch were heterologously expressed in Escherichia coli. Their cyclodextrin-hydrolysing activities were revealed for the first time, resulting in the finding of the sixth known activity in glycoside hydrolase family 57. These two enzymes could respectively hydrolyze potato starch and cyclodextrins into amylodextrins and linear malto oligosaccharides at 90-105oC. In this research, crystal structure of one amylopullulanase and biochemical properties of mutants will be determined. The relationships between enzymatic amino acid residues, hydrolytic activities, and molecular structures will be analyzed. The bifunctional catalytic mechanisms of amylopullulanase towards starch and cyclodextrins will be further elucidated. The structure-based site-directed or random mutagenesis and high throughput screening will be performed in order to obtain the corresponding mutant gene encoding amylopullulanase with high amylopectin-hydrolysing activity. The genetically engineered GRAS micro-organism will be constructed by co-expression of amylopullulanase mutant and Bacillus licheniformis α-amylase. The complex enzymes with high hydrolytic activities from the fermentation will improve the capacities of one-step enzymatic conversion of normal cereal starch into linear maltodextrins.
筛选最适催化反应温度高、水解α-1,6葡萄糖苷键活力高的淀粉酶,对于将普通谷物淀粉一步转化为线性麦芽糊精,具有至关重要的作用。在以前的研究中,我们用大肠杆菌表达了二个对淀粉作用方式不同的、嗜热古细菌淀粉普鲁兰酶SMApu和CMApu;发现他们也具有环糊精水解活性,将葡萄糖苷水解酶57家族的已知活性由五种增加到六种。证实他们在90-105℃,可以分别将土豆淀粉和环糊精转化为直链麦芽糊精和直链麦芽寡糖。本项目拟测定嗜热古细菌淀粉普鲁兰酶的晶体结构和突变体生化特性,分析酶分子中氨基酸残基、水解活性和酶分子结构之间变化的关系,以阐明嗜热古细菌淀粉普鲁兰酶对淀粉和环糊精的分子作用机制;在此基础上,对酶基因进行多点突变,高通量筛选具有较高支链淀粉水解活性的突变酶基因,并与地衣芽孢杆菌α淀粉酶共表达于GRAS微生物,经发酵产生高活力的复合淀粉酶,以进一步提高酶法转化普通谷物淀粉、制备线性麦芽糊精的能力。

结项摘要

发掘超嗜热古细菌中具有极高最适催化反应温度和极端热稳定性的淀粉普鲁兰酶,阐明催化机制,提高酶活性,已成为本领域迫切需要解决的问题。本项目采用大肠杆菌和枯草芽孢杆菌分别异源表达了Thermofilum pendens的淀粉普鲁兰酶TpApu和Staphylothermus marinus的淀粉普鲁兰酶SmApu。纯化的TpApu在pH3.5和95-100℃时表现出最大的活性,是迄今报道的极端嗜热嗜酸的淀粉普鲁兰酶,适用于高温脱除淀粉分支,制备高消化的线性糊精。将来源安全的SmApu以80-240 U/g底物与100 g /L的玉米淀粉在沸水浴中保温2小时。淀粉中慢消化淀粉的含量从17.4显著增加到42.7%。这种高温酶法制备高消化线性糊精和慢消化淀粉的技术,实现了谷物淀粉的同步糊化和水解,具有反应速度快、底物粘度低、不易被微生物污染等多种优势。采用冷冻电镜、解析了淀粉普鲁兰酶SmApu的晶体结构,分辨率达到2.9Å。结果显示,SmApu在溶液中,通过C端部分区域相互作用,形成8聚体。采用定点突变,替换活性中心入口处的氨基酸,获得突变体SmApu-F395A、SmApu-F395S、SmApu-F510A和SmApu-F510S。对酶催化反应动力学参数进行测定显示,所有的突变体都失去了环糊精水解活性,但仍保留支链淀粉脱支活性,首次证明了第395位和第510位苯丙氨酸残基是结合底物的氨基酸。通过定点突变提高淀粉普鲁兰酶支链淀粉脱支活性。删除N端110个氨基酸残基、或者删除C端100个氨基酸残基的突变体,均失去了酶活性,表明上述区域对于维系酶分子的稳定性是至关重要的。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Effects of Streptococcus thermophilus GtfB enzyme on dough rheology, bread quality and starch digestibility
嗜热链球菌GtfB酶对面团流变学、面包品质和淀粉消化率的影响
  • DOI:
    10.1016/j.foodhyd.2019.05.009
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Food Hydrocolloids
  • 影响因子:
    10.7
  • 作者:
    Li Dan;Zhao Yakun;Fei Teng;Wang Yong;Lee Byung-Hoo;Shim Jae-Hoon;Xu Baocai;Li Zhiyao;Li Xiaolei
  • 通讯作者:
    Li Xiaolei
普鲁兰酶水解制备抗消化性和低回生性木薯淀粉的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王玉娟;李晓磊;付婧超;李丹
  • 通讯作者:
    李丹
Wheat Starch with Low Retrogradation Properties Produced by Modification of the GtfB Enzyme 4,6-alpha-Glucanotransferase from Streptococcus thermophilus
通过修饰嗜热链球菌的 GTfB 酶 4,6-α-葡聚糖转移酶生产具有低回生特性的小麦淀粉
  • DOI:
    10.7717/peerj.2619
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Agricultural and Food Chemistry
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
    Li Xiaolei;Fei Teng;Wang Yong;Zhao Yakun;Pan Yutian;Li Dan
  • 通讯作者:
    Li Dan
A cold-active 1,4-alpha-glucan branching enzyme from Bifidobacterium longum reduces the retrogradation and enhances the slow digestibility of wheat starch
来自长双歧杆菌的冷活性 1,4-α-葡聚糖分支酶可减少回生并增强小麦淀粉的缓慢消化率
  • DOI:
    10.1016/j.foodchem.2020.126855
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Food Chemistry
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Li Dan;Fei Teng;Wang Yong;Zhao Yakun;Dai Liyuan;Fu Xuexia;Li Xiaolei
  • 通讯作者:
    Li Xiaolei
An extremely thermostable maltogenic amylase from Staphylothermus marinus: Bacillus expression of the gene and its application in genistin glycosylation
来自海葡萄球菌的一种极其耐热的麦芽糖淀粉酶:该基因的芽孢杆菌表达及其在染料木苷糖基化中的应用
  • DOI:
    10.1016/j.ijbiomac.2017.09.007
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    International Journal of Biological Macromolecules
  • 影响因子:
    8.2
  • 作者:
    Li Xiaolei;Wang Yujuan;Park Jong Tae;Gu Liwei;Li Dan
  • 通讯作者:
    Li Dan

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定向分子进化提高极端热稳定麦芽糖淀粉酶延缓大米饭回生作用的研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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