D-塔格糖是一种天然的低能量填充型甜味剂,具有抑制高血糖,改善肠道菌群和不致龋齿等多种生理功效。D-塔格糖是一种稀有糖,通常利用化学转化或生物转化方法进行大量生产。L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinose isomerase, AI)能分别催化L-阿拉伯糖和D-半乳糖异构为L-核酮糖和D-塔格糖,AI是目前生物法生产新型功能性因子D-塔格糖最为有效的酶。先前被广泛研究的是嗜热菌来源的AI,但高温条件发生的褐变反应(因酚类物质被氧化或产生糖-氨基反应而发生的褐色变化)和生成的副产物限制了此类AI的应用。相比之下,嗜(中)温芽孢杆菌来源的AI更具优势,包括:最适反应温度更低和所需金属辅因子更少;这些对建立节能、安全的生产工艺是有利的。然而,有关芽孢杆菌来源的AI在合成D-塔格糖过程中的动力学参数和反应特点的研究较少。南京林业大学欧阳嘉教授团队鉴定了凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)NL01菌株的AI(BCAI),并将它用于D-塔格糖的合成,相关结果发表在《BMC Biotechnology》杂志上。
研究者克隆了BCAI的编码基因(1422bp),并在大肠杆菌BL21(DE3)中过表达。酶学性质测定表明BCAI的最适温度和pH分别是60℃和7.5。初步纯化后的BCAI在无外源金属离子时活性较高,且在低浓度锰离子(0.5mM)时、它的热稳定性在70℃—90℃都不变。此外,BCAI对L-阿拉伯糖和D-半乳糖的催化效率(Kcat/Km)分别是8.7 mM-1min-1和1.0 mM-1min-1。在最适条件下,带有BCAI的重组大肠杆菌可催化150g/L和250g/L的D-半乳糖生成D-塔格糖,转化效率分别是32%(32h)和27%(48h)。
这项研究克隆、纯化和鉴定了凝结芽孢杆菌NL01菌株的L-阿拉伯糖异构酶(BCAI),和其它报道的相比,BCAI活性的温度谱更宽、且受金属辅因子(如锰离子)的影响更小。BCAI的底物特异性通过分子建模和对接研究已被研究得较为深入。当把带BCAI的重组大肠杆菌用作生物催化剂时,D-塔格糖可由一个简单的“一锅法”生物转化系统有效合成。