糖基转移酶和蔗糖合成酶偶联催化芹菜素与木犀草素合成牡荆素和荭草苷

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近日，江南大学未来食品科学中心和粮食发酵工艺与技术国家工程实验室陈坚院士团队周景文教授课题组，基于糖基转移酶和蔗糖合成酶的偶联催化，实现了黄酮类糖苷化合物牡荆素和荭草苷产量的提高。相关研究成果以“Efficient Production of Orientin and Vitexin from Luteolin and Apigenin Using Coupled Catalysis of Glycosyltransferase and Sucrose Synthase”为题发表于Journal of Agricultural and Food Chemistry杂志上(Liu et al., J. Agric. Food Chem. 2021, 69, 6578–6587)。江南大学2019级硕士生刘世柯为论文第一作者，周景文教授为论文通讯作者。

牡荆素(vitexin)和荭草苷(orientin)是一种具有生物活性的黄酮类化合物单体，广泛分布于陵齿蕨科、刚竹属、木豆、山楂属等多种药用植物中。牡荆素和荭草苷具有多种生物活性，对心血管疾病治疗具有显著疗效，目前已有注射用牡荆素用于临床医疗，以荭草苷为主要成分的荭叶心通软胶囊和荭草复方冻干粉制剂已投入临床应用，主治冠心病、心绞痛、心血瘀阻症等心血管疾病。传统的牡荆素和荭草苷的提取方式多为植物抽提法，受到季节、产地、气候等诸多因素影响，具有药材产量不稳定，品质不均一等缺陷。并且牡荆素和荭草苷在植物中含量较低，提取步骤复杂，且需要消耗大量有机溶剂，并不经济环保。

牡荆素和荭草苷可以分别认为是以芹菜素和木犀草素为底物，由碳苷糖基转移酶(TcCGT1)进行8位的C-糖基化修饰获得。TcCGT1催化合成牡荆素和荭草苷需要UDP葡萄糖(UDPG)为糖基供体。目前UDPG主要生产方法为化学合成法，但是化学合成的反应时间长，立体选择性较差，最终获得UDPG的价格较高。单独使用糖基转移酶合成牡荆素和红草苷并不经济。蔗糖合成酶可催化蔗糖和糖基化反应副产物UDP合成UDPG和果糖，因此利用蔗糖合酶与糖基转移酶的偶联可实现生物催化体系UDPG的原位再生，从而满足产物合成过程中对UDPG需求，同时可通过再生反应避免糖基反应副产物UDP的积累对酶的抑制效应，不断推动反应向产物合成方向进行。为了提高反应体系中UDPG循环次数，比较了不同来源的蔗糖合成酶的催化能力，最终选择大豆的蔗糖合成酶GMSUS与TcCGT1进行偶联反应。通过优化偶联反应条件，红草苷和牡荆素的产量分别达到2324.4和5524.1 mg/L，产率分别为91.4%和89.3% (mol/mol)。本研究提出的偶联催化策略有望用于规模化生产红草苷和牡荆素。