科学家发现分解稀有细菌碳水化合物的新酶家族

β-1,2-葡聚糖是参与关键生物过程的稀有细菌碳水化合物，但其结构复杂性限制了其研究进展。如今，由日本研究人员领导的一项研究报告了他们发现了能够分解这些分子的新酶家族，并提出了一个名为“SGL家族”的新酶组。这些发现揭示了碳水化合物降解酶的分子进化，并为设计合成酶以生产新型碳水化合物打开了大门。

　　

构成地球生命基础的分子种类繁多，结构复杂。其中，碳水化合物作为能量来源和结构功能（例如形成细胞壁）发挥着至关重要的作用。β-1,2-葡聚糖是一类碳水化合物，由葡萄糖链组成，存在于细菌中。这些分子参与各种重要的生物过程，例如细菌感染和环境适应。尽管β-1,2-葡聚糖具有重要的生物学意义，但与纤维素和海带多糖相比，它们数量稀少，结构复杂，因此研究起来尤为困难。 

在2025年5月24日发表于《蛋白质科学》 杂志第34卷第6期的一项最新研究中，东京理科大学（TUS）的研究人员在鉴定和表征分解聚糖分子的新酶方面取得了重大进展。该团队研究了一组未分类的糖苷水解酶（GH），这些酶与GH144和GH162家族中已知的β-1,2-葡聚糖降解酶有关。通过序列、生化、结构和系统发育分析，该团队鉴定出对β-1,2-葡聚糖具有酶活性的新型系统发育组。β-1,2-葡聚糖酶（SGL）将β-1,2-葡聚糖分解为β-1,2-葡萄糖寡糖。 

该研究由清华大学的一个团队进行，由副教授中岛昌弘 (Masahiro Nakajima) 领导，并得到前博士生 Sei Motouchi 博士的支持，此外还得到了新泻大学副教授中井宏之 (Hiroyuki Nakai) 和国家先进工业科学与技术研究所的小林海斗 (Kaito Kobayashi) 博士的合作。 

“聚糖具有多种生理功能，但由于其复杂性和合成难度，研究它们在很多情况下都具有挑战性。然而，聚糖的实际合成有助于探索新的降解酶，而这些酶有可能被用于合成聚糖。合成和降解的双重作用有助于丰富碳水化合物相关酶领域的知识。”中岛博士解释道，这正是这项研究的动机。该团队相信，通过发现新的降解酶，可以探索基于此的更多酶。这可能会彻底改变不同碳水化合物分子的开发和研究。  

该团队首先分析了已知SGL（β-1,2-葡聚糖酶）的相关序列，这些酶可以分解β-1,2-葡聚糖。最终，他们鉴定出四个此前未表征的潜在糖苷水解酶 (GH) 家族。其中，发现三个家族可以将β-1,2-葡聚糖降解为SGL，这标志着一项重大突破。这些酶彼此之间氨基酸序列相似度仅为16%至20%，但具有一些共同的结构特征，例如GH144和GH162酶中也存在的(α/α)6桶结构。此外，它们都拥有共同的端基异构体转化反应机制来裂解β-1,2-葡聚糖分子。  

基于这些发现，研究人员提出了一个新的酶组，称为“SGL家族”，其中包括GH144、GH162以及他们命名为GH192、GH193和GH194的三个新的GH家族。尽管GH189家族比其他家族拥有异头物保留机制，但它仍被纳入SGL家族。  

值得注意的是，该研究发现，几种反应机制模式的不规则分布是由催化残基在SGL家族中系统发育的位置决定的。另一个重要的发现是，尽管这些酶具有相似的功能，但它们仅共享三个保守残基（E239、Y367和F286），这表明这三个残基是SGL家族的定义残基。这两个因素也表明了SGL家族独特的分子进化路径。 

通过发现新的酶家族并揭示其在 SGL 家族中独特的分子进化，这项研究显著提高了我们对碳水化合物代谢的理解，并可能在医学、农业或生物燃料领域得到应用。 

“这一家族的鉴定展现了碳水化合物活性酶的广泛多样性。如果能阐明其反应机制，就有可能利用它来修饰酶的功能，将降解酶转化为合成酶，从而合成新的寡糖。”中岛博士总结道。 

因此，这项研究证明了发现参与碳水化合物降解的酶的潜力，特别强调它们的结构、分子进化和分布。 

 

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