巖(yan)(yan)藻(zao)(zao)糖基(ji)化是生物體(ti)內一類(lei)常見的(de)糖基(ji)化修(xiu)飾，在血型決定(ding)、免疫(yi)調控(kong)、神(shen)經發(fa)育以及(ji)腫(zhong)瘤發(fa)生等生理過程中均發(fa)揮著重要作用(yong)。含巖(yan)(yan)藻(zao)(zao)糖的(de)糖鏈結(jie)構不僅可以作為腫(zhong)瘤診(zhen)斷的(de)關鍵(jian)分子(zi)標記(ji)，或(huo)作為潛在的(de)抗腫(zhong)瘤糖疫(yi)苗藥物，或(huo)作為益生元廣泛應(ying)(ying)用(yong)于嬰兒(er)配(pei)方奶粉、功(gong)能性食(shi)品、食(shi)品添加劑(ji)以及(ji)保健(jian)藥品等領(ling)域。自然界(jie)的(de)巖(yan)(yan)藻(zao)(zao)糖基(ji)化反應(ying)(ying)由巖(yan)(yan)藻(zao)(zao)糖基(ji)轉(zhuan)移酶（Fucosyltransferases, FucTs）催(cui)化，但催(cui)化活性通常較低，極大的(de)限制了巖(yan)(yan)藻(zao)(zao)糖類(lei)的(de)大規模應(ying)(ying)用(yong)。

酶定向進化技(ji)術是指(zhi)通(tong)過在(zai)實(shi)驗室(shi)模擬(ni)自然(ran)進(jin)(jin)化(hua)的(de)過程(cheng)，進(jin)(jin)而(er)有(you)效改善酶的(de)性能。由于其在(zai)酶工程(cheng)領域的(de)重(zhong)要作(zuo)用，定向進(jin)(jin)化(hua)技(ji)術獲得了2018年(nian)諾貝爾化(hua)學獎。

來自上海(hai)交(jiao)通大學(xue)生命(ming)科學(xue)技(ji)術學(xue)院、微(wei)生物代(dai)謝國家重(zhong)點(dian)實驗室楊廣宇團隊在巖藻糖基轉移酶(mei)定向進化方(fang)面的最新研究進展“Directed evolution of an α1,3-fucosyltransferase using a single-cell ultrahigh-throughput screening method”。

由于巖藻糖基轉移酶的反應(ying)難(nan)以用常規實(shi)驗方法進行高通量篩選，對這類酶的定向(xiang)進化改造一(yi)直沒有取得突破。

在這篇文章中，研究團隊巧妙的利用了細胞膜表面的半乳糖透酶（LacY基因）對底物及糖基化產物通透性的差異，建立了可以利用流式細胞儀在單細胞層面對FucTs進行活性檢測的FACS篩選體(ti)系(xi)，速(su)度達到(dao)每(mei)小時107個克隆以(yi)上，一舉打破了這類酶(mei)的篩選瓶頸。研究團(tuan)隊證(zheng)明了這一系(xi)統可作為一種(zhong)通(tong)用的篩選工具，用于α-1,3-巖藻(zao)糖基(ji)轉(zhuan)移酶(mei)、α-1,2-巖藻(zao)糖基(ji)轉(zhuan)移酶(mei)，以(yi)及巖藻(zao)糖苷(gan)(gan)酶(mei)的轉(zhuan)糖苷(gan)(gan)活(huo)性等糖基(ji)化(hua)反應的定向(xiang)進化(hua)中。

為驗(yan)證這一體(ti)(ti)系的(de)(de)(de)(de)有效(xiao)性，研究(jiu)團隊對來源于幽門螺桿菌的(de)(de)(de)(de)α-1,3-巖(yan)藻糖基(ji)轉移(yi)酶(mei)（FutA）進行了定(ding)向進化(hua)(hua)，成(cheng)(cheng)功獲得(de)了目前國際報道催化(hua)(hua)效(xiao)率最高的(de)(de)(de)(de)突變(bian)(bian)體(ti)(ti)，為巖(yan)藻糖苷類產(chan)品的(de)(de)(de)(de)生物(wu)合成(cheng)(cheng)提(ti)(ti)供(gong)了高效(xiao)的(de)(de)(de)(de)催化(hua)(hua)劑。重要的(de)(de)(de)(de)是，他(ta)們通(tong)過解析突變(bian)(bian)酶(mei)M32的(de)(de)(de)(de)晶體(ti)(ti)結(jie)構(gou)，揭示了突變(bian)(bian)體(ti)(ti)功能改(gai)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)催化(hua)(hua)機(ji)制(zhi)，發(fa)現突變(bian)(bian)體(ti)(ti)α2 Helix的(de)(de)(de)(de)S45突變(bian)(bian)成(cheng)(cheng)F45后，與周(zhou)圍的(de)(de)(de)(de)芳香族氨基(ji)酸殘(can)基(ji)W33和(he)W34形成(cheng)(cheng)了獨特的(de)(de)(de)(de)“夾鉗”結(jie)構(gou)，將受體(ti)(ti)底(di)物(wu)牢牢的(de)(de)(de)(de)固定(ding)在底(di)物(wu)結(jie)合口袋內，從而使得(de)酶(mei)與底(di)物(wu)的(de)(de)(de)(de)親(qin)和(he)力提(ti)(ti)高；并通(tong)過分(fen)子(zi)動(dong)力學模擬(ni)發(fa)現了α5 Helix鉸(jiao)鏈區(qu)D127N、R128E及H131I的(de)(de)(de)(de)三個氨基(ji)酸殘(can)基(ji)的(de)(de)(de)(de)電荷突變(bian)(bian)促進域(yu)(yu)間的(de)(de)(de)(de)相對運(yun)動(dong)變(bian)(bian)化(hua)(hua)，提(ti)(ti)出了動(dong)態鉸(jiao)鏈彎曲運(yun)動(dong)引發(fa)域(yu)(yu)間運(yun)動(dong)模型，為揭示GT-B型糖基(ji)轉移(yi)酶(mei)的(de)(de)(de)(de)調控機(ji)制(zhi)及進一步的(de)(de)(de)(de)分(fen)子(zi)改(gai)造提(ti)(ti)供(gong)了線索。

該研究建立了首個針對巖藻糖基化酶的單細胞超高(gao)通量(liang)篩選技術平臺，解析了(le)GT-B型糖基轉移酶催(cui)化(hua)(hua)調控的(de)機制(zhi)，為其它(ta)糖基轉移酶的(de)分子改造提(ti)供了(le)重要的(de)工具和(he)指(zhi)導，有望促進糖生(sheng)物技術領域的(de)進步和(he)重要寡糖產品的(de)生(sheng)物催(cui)化(hua)(hua)產業發展。