微生物来源淀粉分支酶的催化机制及其降低淀粉消化性的机理研究

Slowly digestible starch is a sugar source that is both nutritional and functional. With growing potential demands and higher safety requirements of slowly digestible starch, it is particularly essential to achieve its efficient preparation by enzymatic method. The project focuses on the applied basic research, concerning mechanisms for catalysis of microbial 1,4-α-glucan branching enzyme (GBE) and resulting decreased digestibility of starch. Firstly, the crystal structure of GBE from Geobacillus thermoglucosidans STB02 will be screened out by hanging drop vapor diffusion method and then be analyzed. On this basis, the structure-function relationship of GBE and the hydrolytic and branching reaction catalyzed by GBE will be clarified, and the catalytic mechanism of GBE be revealed. Then, the effects of GBE on molecular structure of starch will be investigated to establish rational structure models of products. Finally, the correlation between molecular structure and digestibility of product will be analyzed, and the mechanism of reducing the digestibility of starch by GBE be elucidated. The enzymatic method will be built to control the slow-digesting degree of the products. The research will provide solid theoretical foundation for the efficient production of slowly digestible starch by GBE and theoretical supports for the development of other amylases and their products.

慢消化淀粉是一种集营养与功能于一体的糖源。随着对慢消化淀粉的需求越来越大和安全性要求越来越高，着力于实现其酶法高效制备显得尤为重要。本项目主要对微生物来源淀粉分支酶的催化机制及其降低淀粉消化性的机理进行一定的应用基础研究。首先，采用悬滴式蒸汽扩散法进行晶体筛选，获得来源于Geobacillus thermoglucosidans STB02的淀粉分支酶晶体，并解析晶体结构；在此基础上，了解淀粉分支酶结构与功能关系，阐明酶催化水解-转苷反应的方式，揭示酶的催化机制；探究酶对淀粉分子结构的影响规律，建立酶作用淀粉后产物的结构模型；进一步了解产物分子结构与其消化性能之间的相关性，从而明确分子结构变化对淀粉消化速率的影响规律，阐明淀粉分支酶降低淀粉消化性的机理，并建立定向控制产物慢消化程度的方法。本项目将为实现淀粉分支酶高效制备慢消化淀粉打下坚实的理论基础，并为其它淀粉酶及其产物开发提供理论参考。

淀粉是人类膳食的重要组成，也是维持人体生命活动的主要能量来源。延缓淀粉消化有助于维持血糖稳态和机体正常运转，已成为近年碳水化合物营养及相关领域的研究热点。随着慢消化淀粉在食品工业中的应用潜力越来越大，着力于实现其高效生产显得尤为重要。为了突破技术瓶颈，本项目主要以淀粉分支酶为研究对象，以“异源表达提高淀粉分支酶的生产效率、分子改造优化淀粉分支酶的催化性能、创新方法提升高支化改性产物的制备效率、精细结构解析揭示产物消化性降低的机理”为研究思路，开展了基础理论及应用技术研究。本项目挖掘并高效分泌表达了性能突出的淀粉分支酶基因，挖掘了重组酶的跨膜分泌理论和胞内淀粉酶的胞外定位策略；在此基础上，利用晶体解析、结构比对、计算机模拟以及定点突变等手段，揭示了酶的催化机制，并深入研究了结构特征对产物特异性的影响，扩展了基于酶晶体结构与功能认知的淀粉分支酶性能改造体系；同时，本项目采用两种转苷特性不同的淀粉分支酶协同催化，建立了一种慢消化淀粉产物高效、定向合成的技术路线，使得产物中的快消化组分含量降至66.57%，慢消化组分含量提高至18.24%，为慢消化淀粉的工业化高效生产打下了坚实的理论基础，可促进慢消化淀粉相关产业的快速发展。