微生物细胞催化矢车菊素-3-葡萄糖苷酰化反应的关键酶及其催化机制

Cyanidin-3-glucoside(C3G) is a kind of polyhydroxyl compounds widely existed in plants and have significant biological activities. However, they show poor stability and low bioavailability in the application. Acylation modification can overcome the above disadvantages. Aiming at the shortcomings of chemical and biological methods in the acylation modification of C3G, the performances of regioselective acylation of C3G catalyzed by whole-cell in deep eutectic solvents(DES) will be explored. The disciplines of whole-cell catalysis will be clarified by combining with the influence of DES medias on the distribution of substrates and products as well as physiological and biochemical characteristics of cells. And then key enzymes in reactions will be confirmed through the transcriptome study and gene knockout and covering tests. The enzyme active sites, key amino acid residues and structural function domains will be analyzed by homologous model building, molecular docking and fixed point mutation, so as to reveal the molecular mechanisms of C3G acylation modification by microbial cells. This study will provide the theoretical guidances for the rational design of the new enzymes and new strategies for other natural product structure modification.

矢车菊素-3-葡萄糖苷（C3G）是一类广泛存在于植物中且具有显著生物活性的水溶性多羟基化合物，但其存在稳定性差和生物利用度低的缺陷，而对其结构的酰基化修饰可以克服上述缺点。针对目前国内外在化学法和生物法酰基化修饰C3G研究中的不足，本项目拟采用微生物细胞为催化剂，研究深度共熔溶剂（DES）体系中全细胞催化C3G酰基化反应性能，结合DES介质对底物及产物在体系中的分配和对细胞生理生化特性的影响，阐明DES对全细胞催化C3G酰化反应的影响规律；进而通过转录组学及基因敲除与回补实验确证细胞中催化C3G酰化反应的关键酶；综合运用同源模建、分子对接和定点突变等技术，解析酶活性位点及其与底物结合过程中柔性结构、关键氨基酸残基和结构功能域等情况，揭示微生物细胞催化C3G酰化修饰的分子机制。该研究为后续酶分子理性设计和改造提供理论依据，并为其他天然产物的结构修饰提供新思路。

糖苷类化合物在自然界中分布广泛，且具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抑菌等多种生物活性。然而，大多数糖苷类化合物亲水性较强，在疏水环境中溶解性差，不易透过磷脂双分子层生物膜，难以到达靶向作用点，导致生物利用度较低，极大地限制了其在药品、食品、化妆品等行业的广泛应用。构效关系研究表明，对糖苷类化合物进行选择性酰化修饰后，可获得其脂肪酸/芳香酸酯类衍生物，这些衍生物不仅脂溶性大大提高，使得药物更易穿膜运输，从而改善其在体内的吸收，提高其口服生物利用度，而且还可以增强其抗氧化活性及其他生物活性。本项目以具有抗氧化活性糖苷类化合物（C3G及其结构类似物虎杖苷和豆腐果苷）为目标底物，以酶或完整的微生物细胞为催化剂，在非水相反应体系中区域选择性地催化糖苷类化合物的特定羟基位点的酰化反应，合成其酯衍生物，进而探究了非水相体系中微生物细胞催化糖苷酰化修饰的分子机制，建立了利用微生物细胞酰基化糖苷类化合物的新途径。该研究构建了具有较高应用潜力的绿色全细胞催化体系，可以提高生物催化过程的经济性，为推动全细胞催化技术在化工、医药、食品等产业中的应用突破提供理论支持，并为其他天然产物的结构修饰提供了新思路。