解析微生物果糖基转移酶：结构洞察、分子工程与生物技术应用

《Biotechnology Advances》：Decoding microbial fructosyltransferases: Structural insights, molecular engineering, and biotechnological applications

　　

• 详述果糖基转移酶（FTF）的微生物来源分布与生化特性。
• 讨论其三维结构、反应机制及分子改造。
• 从结构洞察出发，指导对FTF的工程化调控。
• 重点强调微生物源FTF在高附加值功能糖合成中的应用。

引言

果糖基转移酶（Fructosyltransferase, FTF）被归类于糖苷水解酶GH-J亚族的GH32和GH68家族。与主要执行水解裂解的常规糖苷水解酶不同，FTF具有突出的转果糖基活性，并兼具水解活性。它以蔗糖为主要底物，在天然碳代谢、功能糖的生物合成以及微生物应激适应中发挥核心作用（Patel and Goyal, 2011）。这类酶以蔗糖为底物，遵循双置换机制（图1）：首先水解蔗糖的糖苷键并释放葡萄糖单元，从而形成共价结合的果糖基-酶中间体；随后，根据受体分子类型（如水、蔗糖或寡糖），或催化水解反应生成果糖，或催化转果糖基反应合成果糖寡糖（FOS）及果聚糖。整个催化过程遵循非Leloir型转糖苷途径（Ni et al., 2019; Weijers et al., 2008）。

转果糖基反应生成的FOS通常具有2至10的聚合度（DP）。依据其糖苷键类型以及果糖在蔗糖上的结合位点，可分为三类：菊粉型FOS（通过β-(2 → 1)糖苷键连接）、莱瓦型FOS（通过β-(2 → 6)糖苷键连接）以及新果糖寡糖（neoFOS，即果糖连接至蔗糖葡萄糖单元的C6位，以neokestose为核心结构）（Leangnim et al., 2025）。作为低热量、不可消化的膳食纤维，FOS已获得全球多个国家的食品安全许可，包括美国FDA的GRAS（通常认为安全）认定以及欧洲食品安全局（EFSA）的健康声称授权。它们被广泛认可为有效的益生元，具有特异性促进肠道双歧杆菌生长、调节糖脂代谢、增强免疫功能、预防龋齿以及维持肠道微生态平衡等生理益处（Rawat et al., 2017）。因此，欧洲研究人员将其视为重要的健康成分，在功能食品及更广泛的健康产业中具有巨大的应用潜力（Mutanda et al., 2014）。果聚糖是由FOS进一步聚合形成的相对高分子量多糖，主要包括菊粉和莱瓦两种类型。菊粉由通过β-(2 → 1)糖苷键连接的果糖单元组成，而莱瓦则以β-(2 → 6)糖苷键为特征（Xu et al., 2019）。作为可溶性膳食纤维，果聚糖可调节脂代谢、促进矿物质吸收、有助于干预肥胖和结肠癌以及激活免疫应答，其独特的物理化学性质与应用价值直接取决于其特定的糖苷键类型和聚合度（Xu et al., 2024）。

根据其催化特性和产物特异性，微生物FTF可分为三类，其家族分类与产物特异性高度相关（图2A）。莱瓦蔗糖酶（LS, EC 2.4.1.10）属于GH68家族，特异性催化β-(2 → 6)糖苷键的合成，生成6-kestose、莱瓦型FOS和莱瓦。菊粉蔗糖酶（IS, EC 2.4.1.9）同样属于GH68家族，特异性催化β-(2 → 1)糖苷键的合成，生成1-kestose、菊粉型FOS和菊链糖。β-果糖呋喃糖苷酶（Ffase, EC 3.2.1.26）的家族分类因物种而异，真菌来源者属于GH32家族，细菌来源者则属于GH68家族。该酶兼具水解和转果糖基活性，可合成neokestose和neonystose等neoFOS，以及含混合糖苷键的异源寡糖。尽管三种酶均以蔗糖为底物，但它们的初始催化产物差异显著：IS、LS和Ffase分别生成1-kestose、6-kestose和neokestose。此外，链延长阶段的聚合特征最终决定了最终产物的分子量分布（Gupta et al., 2019; Coetzee et al., 2020）。

在功能食品工业中，凭借益生元效应，FOS、菊链糖和莱瓦已成为核心功能原料，在过去十年中保持了稳定的市场地位（Belorkar and Gupta, 2016）。在全球健康消费需求驱动下，果聚糖市场年增长率超过5%，预计到2026年市场规模将达到约27亿美元（Choukade and Kango, 2021）。然而，天然FTF的固有缺陷构成工业化放大的核心瓶颈。天然酶热稳定性差、催化效率不足，且催化过程易受葡萄糖反馈抑制；此外，难以精确调控产物谱（糖苷键类型和聚合度），这直接导致功能糖生产成本高昂，限制了其广泛应用。

本综述系统总结了微生物FTF的物种多样性，并详细阐述其三维结构特征、底物识别机制以及催化产物多样性的分子基础。围绕定向进化、理性设计和半理性设计等核心分子工程策略，本工作阐明了FTF催化特性与其产物结构-功能特性之间的内在关系，并讨论了FTF在功能糖生物合成中的应用价值。综上，本综述为FTF基础研究、精确酶分子改造以及FOS和果聚糖的高效工业生产提供了重要的理论支撑。

片段摘要

果糖基转移酶的分布

FTF被归类于糖苷水解酶GH-J亚族的GH32和GH68家族。该酶类主要包括LS、IS和Ffase（图2B）。其中，LS和IS明确归类于GH68家族（Xu et al., 2019）。值得注意的是，Ffase的系统分类存在显著异质性：大多数植物和真菌来源的Ffase属于GH32家族，而细菌来源的Ffase则主要被归类于GH68家族。根据最新……

微生物FTF的晶体结构

迄今为止，已解析了三种IS酶的晶体结构，包括来源于Lactobacillus johnsonii NCC533（L. johnsonii NCC533）的酶（PDB: 2YFS和2YFT）（Pijning et al., 2011）、L. reuteri 121（PDB: 8XVQ）（Ni et al., 2025）以及H. jeotgali B3T（PDB: 7BJ4和7BJC）（Ghauri et al., 2021a）（表1）。两种乳杆菌来源的IS酶序列相似性为58.54%，晶体结构高度一致（RMSD = 0.331）。图3A显示了……的apo蛋白结构。

果糖基转移酶的分子改造

尽管在生物催化中至关重要，天然果糖基转移酶仍存在固有局限性，这促使研究者采用先进的分子工程策略来精确定制酶的特性。目前，根据对结构-功能关系了解程度的不同，已建立三条主要工程路径：定向进化、半理性设计和理性设计。这些酶工程方法有助于……

FTF产物的调控分子机制

FTF研究的前沿与核心挑战在于系统鉴定并阐明控制产物链长的关键氨基酸残基及其机制。目前大多数定点突变研究主要集中于序列比对中高度保守或位于活性位点附近的残基，旨在通过调节酶催化过程的"过程性"（processivity）来实现对产物链长的精确控制。

FOS与果聚糖的定量结构与分类及功能

FOS和果聚糖是FTF催化的转果糖基反应所产生的核心功能糖，蔗糖是二者生物合成的共同初始底物。在FTF催化反应的初始阶段，会形成1-kestose、6-kestose和neokestose三种核心产物（图2A）。其结构差异在于果糖基连接到葡萄糖的方式，分别为β-(2 → 1)糖苷键……

FTF在食品领域的应用

长期以来，FTF的核心应用始终围绕其催化合成的两类代表性产物：FOS和果聚糖。近年来，随着合成生物学和酶工程的快速发展，研究人员不断探索和改造FTF，以期克服其固有催化局限，释放其在食品和健康领域的更广泛应用潜力，并探索其在新兴领域的应用可能……

未来展望与研究机遇

作为FOS和果聚糖生物合成的核心生物催化剂，FTF在基础糖生物学研究和工业功能糖生产中均具有重要价值。然而，当前研究仍面临动态催化机制阐明不完整、多酶性状协同优化困难以及工业化规模生产成本高企等瓶颈。展望未来，随着结构生物学、人工智能和……

结论

本综述系统梳理了FTF的微生物来源、结构特征与催化机制，以及其催化产物FOS和果聚糖的结构分类、功能性质和构效关系。LS、IS和Ffase共享保守的五叶β-螺旋桨催化核心和催化三联体，活性口袋的构象决定了产物特异性，进而塑造了FOS和……的结构与功能。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（32502117）、山东省重点研发计划（2022CXPT018）、江苏省博士后优秀人才计划（2024ZB323）、中国博士后科学基金（2024M751156）以及中国博士后科学基金特别资助（GZB20240278）的资助。

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