海藻酸C5-差向异构酶的分子机制与定向改造：提升褐藻胶凝胶性能的生物催化策略

为解决褐藻胶凝胶性能不足的问题，研究人员系统研究了mannuronan C5-epimerases(MC5Es)的催化机制与模块功能，通过酶工程手段开发出能高效转化β-D-mannuronate(M)为α-L-guluronate(G)的嵌合酶PsmEA4R，使产物G含量提升至96%。该研究为北方海域养殖的低G含量褐藻胶的品质提升提供了创新解决方案。

　　

在蓝色生物经济的背景下，褐藻养殖因其卓越的碳固定能力和环境友好特性成为可持续发展的重要方向。然而，北方海域养殖的褐藻（如糖海带Saccharina latissima）产生的藻胶普遍存在G含量低、凝胶性能差的问题，严重制约其在高值化应用中的潜力。传统化学改性方法难以精确控制褐藻胶的G/M比例，而自然界存在的mannuronan C5-epimerases(MC5Es)虽能催化M向G的转化，但不同来源的酶存在催化效率低、产物特异性不足等缺陷。

来自丹麦技术大学的研究团队在《Algal Research》发表的研究，系统解析了MC5Es的分子机制，并通过模块重组和定向进化开发出高性能嵌合酶。研究采用冷冻电镜解析酶的三维结构，结合NMR监测动态催化过程，利用DNA shuffling技术构建嵌合酶库，并通过高通量筛选平台（基于特异性裂解酶AlyA的紫外检测法）评估酶活性。

研究结果部分：

1. 酶结构与机制：通过解析AlgE4和AlgG的晶体结构，发现催化三联体位于β-螺旋的特定位置，Ca²⁺结合位点对酶活性至关重要。AlgE4通过烯醇酸中间体实现M→G转化，而AlgG则可能涉及糖醛酸中间体。

2. 模块功能：AlgE1的A1模块负责形成长G嵌段（DP>100），A2模块则产生MG交替序列。删除R模块的AlgE6ΔR在氧化藻胶中的穿透力提升，使Ca-藻胶凝胶核心区域的G含量提高40%。

3. 高性能嵌合酶：将Pseudomonas syringae的PsmE催化模块与AlgE4的R模块融合，获得的PsmEA4R对poly-MG底物的G转化率高达96%，创文献报道最高值。定向进化获得的AlgEM1突变体使Laminaria hyperborea藻胶的F_G从0.5提升至0.85。

4. 底物适应性：工程化酶对乙酰化藻胶（如Pseudomonas aeruginosa产物）的转化效率提升3倍，且能作用于periodate氧化的半乳甘露聚糖，拓展了酶的应用范围。

该研究首次实现了对MC5Es产物特异性的精确调控，开发的嵌合酶在50℃仍保持活性，适合工业化藻胶改性。通过模块重组策略获得的AlgE64（含AlgE6催化域和AlgE4 R模块）在规模化试验中使藻胶凝胶强度提升2倍，为北方褐藻资源的高值化利用提供了关键技术支撑。研究揭示的D119和F307等关键残基的调控机制，为后续理性设计更高效的MC5Es奠定了理论基础。这些突破将显著提升藻胶在食品包装、医用敷料和3D生物打印等领域的应用价值，推动蓝色生物经济的发展。