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耐热转醛酶和转酮酶可作为催化元件用于体外生物合成反应

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体外合成生物学作为合成生物学的分支,通过人工设计生物合成途径并在体外将催化元件组装,实现按人工设计途径在体外的生物合成。它具有反应条件可控、理论产率高及副产物少等优势,在医药、食品、能源、材料与大宗化工品生产等领域具有良好的应用前景。其中途径的设计和催化元件的挖掘至关重要。来源于嗜热菌的酶,因具有热稳定性优异和催化效率高等优点,被视为体外合成生物学的优先催化元件。转醛酶和转酮酶是戊糖磷酸途径中两个重要的酶,已被用于C-C键组合的多种催化反应以及体外合成制氢途径、生物燃料电池等。耐热转醛酶和转酮酶的挖掘可为体外合成途径提供有应用潜力的催化元件。本学位论文首先在大肠杆菌(Escherichia coli)中克隆表达并纯化得到了来源于海栖热袍菌Thermotoga maritima的转醛酶和转酮酶。通过对重组酶的酶学性质研究,证实了它们的高嗜热性:最适温度均为80℃,活性分别为42 U/mg和0.89 U/mg。它们还具有优异的耐热性:前者在60℃和80℃下的半衰期分别为198 h和13 h,后者在60℃下的半衰期高达365 h。其中,转醛酶在高温条件下的酶学性质为首次报道。在最适反应条件下,重组转醛酶和转酮酶的总转化数(TTN)分别达1.5×106 mol/mol和1.2×105 mol/mol,暗示它们将是体外合成途径的理想催化元件。在获得上述两个重要催化元件的基础上,本论文探索了它们在体外合成生物学中的应用。作为糖尿病药物阿卡波糖和抗生素井冈霉素等C7N环醇类物质的重要合成前体,7-磷酸景天庚酮糖及其环化产物2-epi-5-epi-valiolone的合成一直备受关注;为此,本论文设计了体外合成7-磷酸景天庚酮糖和2-epi-5-epi-valiolone的途径,将获得的催化元件(耐热转醛酶和转酮酶)用于该途径的组装,成功实现了上述目标产物的合成,并提出了包括副产物进一步利用与关键酶比例的增加等手段在内的强化体外合成反应效率的策略。另外,课题合作者张以恒教授实验室使用上述耐热转醛酶,成功实现了基于糖平台的体外生物制氢。本研究结果表明,耐热转醛酶和转酮酶可作为催化元件用于体外生物合成反应,预期在相关领域具有应用潜力。

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