近日，我校生物工程学院周哲敏教授团队在糖基转移酶半理性设计及天然活性糖苷高效生物合成领域取得重要进展。研究成果以“Structure-Guided Stepwise Engineering of a Microbial Glycosyltransferase for Highly Regioselective and Efficient Biosynthesis of Salidroside”为题，发表于国际催化领域权威期刊ACS Catalysis（IF=13.6）（DOI: 10.1021/acscatal.6c04420）。研究建立了一种基于结构指导的糖基转移酶分步工程改造策略，实现了酶区域选择性、催化效率与热稳定性的协同提升，为红景天苷的高效绿色生物制造提供了新的技术途径。
红景天苷是一种具有重要应用价值的天然活性糖苷，在医药、食品及化妆品等领域具有广阔的应用前景。尿苷二磷酸糖基转移酶（UGTs）是红景天苷生物合成过程中的关键限速酶之一。然而，植物来源的糖基转移酶普遍存在可溶性较差、催化活性偏低等问题，而微生物来源的糖基转移酶虽然具有较好的稳定性和工程改造潜力，但其区域选择性不足，容易产生副产物，限制了红景天苷的高效合成。因此，如何同时提高糖基转移酶的区域选择性、催化效率及结构稳定性，是推动红景天苷绿色生物制造面临的重要挑战。
针对上述问题，研究团队以来源于Paenibacillus durus的糖基转移酶（PdUGT）为研究对象，构建了结构指导的分步半理性设计策略。首先，通过对酶活性中心及底物进入通道进行逐步重塑，将酪醇糖基化反应的区域选择性由81.2%提升至99.9%，达到与天然植物来源酶相当的水平。在此基础上，结合蛋白质语言模型SaPot与ΔΔG计算预测开展稳定性优化，最终获得优势突变体M4。与野生型相比，M4的催化效率提高20倍，比酶活达到58.5 U/mg，熔解温度提高11.2℃。进一步结合UDP-葡萄糖循环再生级联体系，实现了193.1 mM的红景天苷产量，底物转化率达到99.0%，时空产率达到5.7 g/(L·h)，展现出良好的生物催化应用潜力。
分子动力学模拟与分子对接分析表明，突变体催化性能的提升主要归因于酪醇与酶结合能力的增强、非生产性底物构象转换的抑制，以及热应力条件下蛋白质结构紧密性的提高。此外，底物谱分析发现，工程改造后的M4对酪醇及相关芳香醇类底物表现出更高的催化特异性。该研究建立了一种兼顾区域选择性、催化活性与热稳定性的糖基转移酶半理性设计策略，为突破微生物糖基转移酶在天然糖苷合成中的应用瓶颈提供了新的思路，同时也为其他高附加值糖苷类化合物的高效绿色生物制造提供了重要的理论依据和技术支撑。
我校生物工程学院刘中美教授为论文通讯作者，2025级博士生李沐阳为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金（32570078）、江苏省自然科学基金（BK20242078）、国家重点研发计划（2023YFC3402403）等项目资助。近年来，周哲敏教授团队围绕酶分子结构与功能调控、蛋白质工程、多酶级联催化及绿色生物制造等方向开展系统研究，在酶催化性能优化及高附加值化合物绿色合成方面取得了系列研究成果，相关成果已发表在Bioresource Technology（2025）、Green Chemistry（2023、2021）等本领域重要期刊。
