L阿拉伯糖异构酶可用作合成D塔格糖的生物催化剂研究

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。