文章核心观点 - 浙江大学陈卫教授团队在Science Advances发表研究论文，开发了一种针对植物糖基转移酶(UGTs)的定制化FRISM理性设计新策略，显著提升了酶的催化活性、糖基供体宽泛性和区域选择性 [5][7][11] - 该策略成功应用于一种稀有糖基转移酶UGT75AJ2的改造，其四重突变体Mut4-1的催化活性达到野生型的128倍，并实现了多种具有降血糖活性的黄酮糖苷类化合物的定向合成 [5][6][7] - 研究成果为具有药用价值的黄酮糖苷类化合物的绿色、高效生物合成提供了理论和实验基础，在合成生物学与绿色生物制造领域具有应用潜力 [11] 研究背景与挑战 - 黄酮类化合物是具有显著生物活性的重要植物次生代谢产物，其糖基化修饰对提升抗氧化、降血糖等活性至关重要 [3][4] - 植物UDP-糖基转移酶(UGTs)负责催化黄酮类化合物的糖基化，是一种绿色、经济的生物修饰方法 [3] - 然而，大多数天然植物UGTs存在酶催化活性低、区域选择性差、底物谱或糖供体宽泛性有限等问题，限制了其在农业、食品和生物医药领域的应用 [3] - 能够特异性催化黄酮类化合物C-3'和C-7羟基糖基化修饰的植物UGTs此前鲜有报道 [4] 关键技术突破 - 研究筛选鉴定出一种稀有的糖基转移酶UGT75AJ2，该酶具有黄酮类化合物C-3'和C-7羟基糖基化修饰功能 [5] - 团队开发了一套基于饱和突变筛选指导的、针对植物UGTs定制的FRISM策略，从多维度蛋白结构预测、突变能计算分析、底物结合口袋重塑、关键氨基酸序列进化分析及分子动力学等方面对野生型UGT75AJ2进行理性设计 [7] - 通过该策略获得的四重突变体Mut4-1，其催化活性是野生型的128倍 [7] - 该策略在另外两种来源和糖基化修饰位点不同的植物糖基转移酶Vc3GT和Ac3GT上得到成功验证，表明其有效性和通用性 [7] - 运用基于结构和序列信息指导的氨基酸替换、饱和突变和组合突变技术，提升了UGT75AJ2的糖基供体宽泛性以及区域选择性，为高价值黄酮3'-O糖苷和7-O糖苷的生物合成提供了实用的合成生物学催化元件 [8] 研究成果与应用前景 - 实现了具有降血糖活性的矢车菊素-3,3'-O-双葡萄糖苷、芹菜素-7-O-葡萄糖苷、槲皮素-3'-O-葡萄糖苷等黄酮糖苷类化合物的定向合成 [6] - 该研究建立了植物糖基转移酶理性设计的新策略，为提升酶活性、糖基供体宽泛性与区域选择性提供了新范式 [11] - 研究成果是食品科学、合成生物学、人工智能、生物信息学与计算化学、药理学等多学科交叉融合的成果 [11] - 为蛋白质理性设计与定向改造在合成生物学与绿色生物制造领域的应用提供了新的视野和思路 [11]