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为让啤酒更好喝 中国迷信家造出一种反常耐热酶

ʱ䣺2021-02-27

  起源:中国科学院青岛生物能源与进程研讨所

  原题目:为了让啤酒“更好喝”,科学家研究了种“反常”耐热酶

  该工作已在线发表于经典的生物化学杂志 Biochemical Journal,本研究取得了科技部973规划、国度自然科学基金、山东省天然科学出色青年基金、山东省重点研发打算等支撑。

义务编纂:张玉

  日前,中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物质源团队李福利研究员与代谢物组学团队冯银刚研究员、仿真模仿团队姚礼山研究员以及清华大学王新泉教学配合,从极端嗜热微生物中发明了一种新型的β-葡聚糖酶,460866.com。它可以特异性降解β-葡聚糖。最重要的是,新发现的酶最适温度高达80℃!而且在70℃作用1天,酶活气仍能保存一半。这些机能让它展示出了极高的工业利用价值。

  但在生产啤酒和饲料的过程中,这些大麦、高粱里的β-葡聚糖制作了一些小麻烦。比如在制造麦芽和酿造啤酒时,原料中的β-葡聚糖假如不能完整降解,就会使麦芽汁的粘度增大,降低啤酒过滤速度,并且在啤酒储存过程中易引起积淀。此外,大麦、高粱等作为禽畜饲料,存在较高的营养价值,但是其中存在的β-葡聚糖会增添动物肠道内食糜粘度,从而影响动物内源性消化酶与养分物资的接触,直接影响动物消化饲料的效力。

  科学家们揭示了微生物进化过程中,酶蛋白为了利用多种多样的植物细胞壁多糖,从而进化出特异而精致的活性反映核心,实现降解利用多糖的使命。新型β-葡聚糖酶可以在工业环境中顺利行走在β-葡聚糖底物上,而且,还一边走一边将β-葡聚糖切断成可溶性更好的低聚糖,从而下降麦芽汁或动物肠道内食糜的粘度。同时,这列火车的“轮轴”能够保障该酶在70-80℃的环境中不会散架。该成果对工业生产中所需要的β-葡聚糖酶的筛选及改革供给了领导,好比,也给怕热的酶装上“轮轴”。

  本研究中,新筛选的酶既可能切断β-葡聚糖中的β-1,3连键,也能切断β-1,4连键,而传统的β-葡聚糖酶只能切断β-葡聚糖中的β-1,4连键(图1)。那么,该酶是怎么辨别出哪个是β-葡聚糖,而哪个又是纤维素或者淀粉呢?大天然老是到处存在着神奇,新筛选的酶进化出了一个特别的口袋状的凹槽,科学家也将其称为底物联合口袋。

  大麦、高粱等谷类植物是生产啤酒和饲料的主要原资料。这些谷类植物的胚乳细胞壁中蕴含着丰盛的β-葡聚糖。β聚葡聚糖是一种由多个葡萄糖单元串联而成的多糖,是动物细胞壁的重要成分之一。

  目前,产业生产中用到的β-葡聚糖酶通常是应用芽孢杆菌进行发酵出产得到的。这些β-葡聚糖酶的实用温度规模在30~60℃,最适温度范畴50~55℃。然而,啤酒跟饲料生产须要在高温(70~80℃)下进行。这可不妙,这些β-葡聚糖酶制剂怕热啊!所以,科学家始终在寻找比现有酶活性更高,更能耐受刻薄环境的高效β-葡聚糖酶。

  要想知道新筛选的酶为什么能够特异性降解β-葡聚糖,就要从多糖开端讲起。做作界中存在丰硕多样的多糖,比方淀粉、纤维素、β-葡聚糖等等。微生物要想吃掉这些多糖,首先需要生产出能够切断这些多糖的酶。因此,为了生存,微生物就必需进化出能够高效利用这些多糖的酶。

  图1 β-葡聚糖酶割断β-葡聚糖的糖苷键断裂地位(蓝色箭头)。玄色箭头所指是惯例的16家族酶断键方法。 图2 失活渐变体F32EG5-E193Q与纤维寡糖底物共结晶。

  然而,不怕热的β-葡聚糖酶会在哪儿呢?我们晓得,酶通常是由微生物生产的,因而,那些可在高温环境下成长的微生物兴许能给予咱们辅助。Caldicellulosiruptor spp。是一类可以在高达75℃的极其环境下生长的嗜热细菌,而且,它们以β-葡聚糖作为食品,极有可能生产我们苦苦寻找的不怕热的β-葡聚糖酶。

  怎么办呢?迷信家请出了β-葡聚糖的降解小能手——β-葡聚糖酶。它能够专一性堵截β-葡聚糖顶用来衔接葡萄糖单元的β-1,3或β-1,4连键,从而发生3~5个葡萄糖单位的低聚糖及葡萄糖。

  这个口袋与传统的酶有很大的差别,新型β-葡聚糖酶的底物结合口袋有个急剧的弯角,这正好能够包容同样具备弯曲构象的β-葡聚糖底物(图2),从而施展最佳的降解功效。就像过山车样,底物β-葡聚糖是个曲折的轨道,新筛选的酶就正好是能够卡在这个轨道上运行的火车。如果把新型β-葡聚糖酶比作火车,那么在该酶底物结合口袋里面的盐键,就像是固定火车车轮的轴,保证酶在高温环境中不变形。


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