D塔格糖的生物催化劑生物合成

D-塔格糖是一種天然的低能量填充型甜味劑，具有抑制高血糖，改善腸道菌群和不致齲齒等多種生理功效。D-塔格糖是一種稀有糖，通常利用化學轉化或生物轉化方法進行大量生產。L-阿拉伯糖異構酶（L-arabinose isomerase, AI）能分別催化L-阿拉伯糖和D-半乳糖異構為L-核酮糖和D-塔格糖，AI是目前生物法生產新型功能性因子D-塔格糖最為有效的酶。先前被廣泛研究的是嗜熱菌來源的AI，但高溫條件發生的褐變反應（因酚類物質被氧化或產生糖-氨基反應而發生的褐色變化）和生成的副產物限制了此類AI的應用。相比之下，嗜（中）溫芽孢桿菌來源的AI更具優勢，包括：最適反應溫度更低和所需金屬輔因子更少；這些對建立節能、安全的生產工藝是有利的。然而，有關芽孢桿菌來源的AI在合成D-塔格糖過程中的動力學參數和反應特點的研究較少。南京林業大學歐陽嘉教授團隊鑒定了凝結芽孢桿菌（Bacillus coagulans）NL01菌株的AI（BCAI），并將它用于D-塔格糖的合成，相關結果發表在《BMC Biotechnology》雜志上。

研究者克隆了BCAI的編碼基因（1422bp），并在大腸桿菌BL21（DE3）中過表達。酶學性質測定表明BCAI的最適溫度和pH分別是60℃和7.5。初步純化后的BCAI在無外源金屬離子時活性較高，且在低濃度錳離子（0.5mM）時、它的熱穩定性在70℃—90℃都不變。此外，BCAI對L-阿拉伯糖和D-半乳糖的催化效率（Kcat/Km）分別是8.7 mM-1min-1和1.0 mM-1min-1。在最適條件下，帶有BCAI的重組大腸桿菌可催化150g/L和250g/L的D-半乳糖生成D-塔格糖，轉化效率分別是32%（32h）和27%（48h）。

這項研究克隆、純化和鑒定了凝結芽孢桿菌NL01菌株的L-阿拉伯糖異構酶（BCAI），和其它報道的相比，BCAI活性的溫度譜更寬、且受金屬輔因子（如錳離子）的影響更小。BCAI的底物特異性通過分子建模和對接研究已被研究得較為深入。當把帶BCAI的重組大腸桿菌用作生物催化劑時，D-塔格糖可由一個簡單的“一鍋法”生物轉化系統有效合成。