多物种UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UGPase)的酶学特性解析及其在细胞工厂工程化中的应用潜力

为解决不同物种UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UGPase)活性差异缺乏系统比较的问题，研究人员对11种来源（包括细菌、真菌、植物和动物）的UGPase进行异源表达与酶学表征。研究发现马铃薯(StUGP)和木薯(MeUGP)的比活性最高（分别为828.5 U/mg和927.1 U/mg），其kcat/Km值显著高于其他物种。该研究为代谢工程改造细胞工厂提供了高效酶元件，成果发表于《Bioscience Reports》。

　　

在生命体的糖代谢网络中，UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UGPase)扮演着"糖基调度员"的关键角色——它催化UTP和葡萄糖-1-磷酸(Glc1P)生成UDP-葡萄糖(UDP-Glc)，后者是合成纤维素、糖原等多糖的重要前体。然而长期以来，不同物种UGPase的酶学特性存在"测量标准不统一"的困境：有的研究采用耦联UDP-Glc脱氢酶法，有的通过检测无机焦磷酸(PPi)显色，导致活性数据可比性差。更棘手的是，既往研究多聚焦单一物种，缺乏跨界的系统比较，这严重制约了高效UGPase元件在代谢工程中的应用。

为破解这一难题，中国的研究团队在《Bioscience Reports》发表了一项开创性研究。他们采用标准化的PPi显色法，首次对11个物种（涵盖大肠杆菌、黑曲霉、拟南芥、马铃薯、人类等）的UGPase进行"同台竞技"。通过原核表达系统、蛋白纯化技术结合酶动力学分析，研究人员发现植物来源的UGPase展现出惊人的催化效率——木薯MeUGP的比活性高达927.1 U/mg，是细菌EcUGP的113倍！温度适应性实验揭示，玉米ZmUGP等植物酶在50℃仍保持活性，而多数动物源酶在37℃即快速失活。更令人振奋的是，动力学参数显示MeUGP的k_cat/K_m值达53.478 mM^-1s^-1，创造了该酶家族的催化效率新纪录。

研究团队运用多学科技术手段展开攻关：通过密码子优化合成11种UGPase基因并在大肠杆菌BL21(DE3)中表达；采用镍柱亲和层析获得高纯度蛋白；建立基于孔雀石绿法的标准化活性检测体系；运用GraphPad Prism软件计算酶动力学参数；通过系统发育树分析进化关系。

在"不同物种UGPase的选择"部分，研究揭示了有趣的进化规律：系统发育分析证实原核与真核UGPase分属不同进化分支，相似度仅约8%。特别选取的木薯、马铃薯等淀粉高产植物的UGPase，其编码基因存在显著的正选择压力。

"UGPase活性比较"结果令人瞩目：SDS-PAGE验证所有重组蛋白正确表达（分子量30-57 kDa）。活性热图清晰显示，植物酶活性普遍高于微生物和动物源酶，其中MeUGP和StUGP形成明显的"活性高峰"。这与这些植物需要大量UDP-Glc用于淀粉合成的生理需求高度吻合。

"温度与pH适应性"研究发现了三组最适温度：多数酶在37℃达到峰值，而MeUGP、IbUGP和ZmUGP在50℃表现最佳。pH适应性实验则显示，除EcUGP外，其他酶在pH4-10均保持80%以上活性，这种广谱适应性与其在细胞质中发挥基础代谢功能的特点相关。

关于"热稳定性"的发现颇具颠覆性：尽管IbUGP在60℃能保持60%活性，但绝大多数重组酶在该温度下迅速失活。值得注意的是，人类HsUGP在37℃孵育2小时后活性完全丧失，这一现象暗示体内可能存在特殊的蛋白稳态调控机制。

"底物特异性"实验证实所有UGPase对Glc1P具有绝对专一性，但对核苷酸三磷酸(NTP)的选择性存在差异：MeUGP和StUGP能利用ATP、GTP等替代底物，而AnUGP完全依赖UTP。动力学分析显示，高活性UGPase的优势主要来自更高的k_cat值而非底物亲和力。

在讨论环节，研究者提出"结构-功能"新见解：植物UGPase多以单体/二聚体形式存在，而真菌和动物酶则形成八聚体。这种寡聚化差异可能与催化效率相关——木薯MeUGP的"头对尾"二聚体构象可能创造了更优化的活性中心。该研究不仅为理解UGPase的分子演化提供了新视角，更开辟了代谢工程新路径：将高活性的MeUGP引入微生物细胞工厂，可显著提升UDP-Glc依赖型产物的合成效率，如透明质酸(hyaluronic acid)和糖基化天然产物。

这项研究犹如一把"分子标尺"，首次实现了跨物种UGPase活性的标准化度量。其揭示的"植物源UGPase高效性"规律，为合成生物学元件库添加了重磅筹码。未来通过解析MeUGP的三维结构，有望设计出更强大的"糖基化引擎"，推动绿色生物制造领域的革新。