ỨNG DỤNG CÁC GLYCOSIDASE VÀ TRANSGLYCOSIDASES TRONG TỔNG HỢP OLIGOSACCHARIDE

Trong chương này chúng tôi sẽ tập trung vào việc sử dụng các transglycosidases và glycosidases để tổng hợp oligosaccharides vì cả hai đều sử dụng cùng một loại cơ chất và cơ chế tương tự

ỨNG DỤNG CÁC GLYCOSIDASE VÀ TRANSGLYCOSIDASES TRONG

TỔNG HỢP OLIGOSACCHARIDE

1 Giới thiệu

Oligosaccharide là một carbohydrate gồm 2-10 monosaccharide được liên

kết bởi liên kết O-glycosidic Sự tương thích về cấu trúc hóa học trên cơ chất và

enzyme là đặc điểm đặc biệt để sản xuất oligosaccharide không phải cần phải thủy phân bằng những hóa chất phức tạp Đối với biện pháp thủy phân bằng hóa chất thông thường thì sản phẩm sẽ có nhiều tạp chất Vì vậy ngày nay, quy trình enzyme được sử dụng trong ngành công nghiệp để sản xuất các oligosaccharides

Liên kết Glycoside được thực hiện bởi glycosyltransferases (EC 2,4) ( Ichikawa et al., 1992) Các enzyme này xúc tác vận chuyển đường hexose và pentose từ chất cho (glycosyl donor) đến chất nhận (Glycosyl acceptor) Theo bản chất loại đường được chuyển hoá, glycosyltransferases được chia thành ba nhóm là:hexosyltransferases (EC 2.4.1.), pentosyltransferases (EC 2.4.2.) và các nhóm chuyển glycosyl khác (EC 2.4.99.) Tùy thuộc theo tính chất của chất cho (glycosyl donor), glycosyltransferases được phân loại thành ba nhóm chính:

(1) Leloir-type glycosyltransferases, đòi hỏi đường nucleotide (ví dụ UDP-glucosyltransferases)

(2) non- Leloir glycosyltransferases, sử dụng đường-1-phốt phát (ví dụ phosphorylases)

(3) transglycosidases, có sử dụng đường không kích hoạt như sucrose, lactose hoặc tinh bột

Một tính năng đặc biệt của transglycosidases so với Leloir và non-Leloir glycosyltransferases, là chúng có khả năng vận chuyển một nhóm glycosyl từ glycosyl donor tới phân tử nước

Ngoài glycosyltransferases, trong điều kiện thích hợp glycosidases (Hydrolases glycoside, 3,2 EC) cũng có thể được sử dụng tổng hợp

oligosaccharides in vitro Glycosidases xúc tác thủy phân liên kết glycosidic trong

oligo-và polysaccharides tạo thành những sản phẩm có mức độ tương đồng cao Cũng cần lưu ý rằng, về cơ chế phản ứng, transglycosidases và glycosidases thuộc

về cùng một nhóm Trong thực tế, transglycosidases và glycosidases được nhóm lại trong 'glycoside hydrolase (GH family)’ trong phân loại Henrissat

Một số nhận xét về tổng hợp oligosaccharide bởi glycosyltransferases của Leloir và non-Leloir (Daines et al., 2004; Hamilton, 2004) Những vấn đề chính liên quan tổng hợp như vậy (1) yêu cầu nucleotide-sugar hoặc sugar- 1 photphat

là cơ chất, (2) hạn chế sự tự tách phosphate ra khỏi nucleotide, và (3) sự sẵn có giới hạn của những enzim này Tuy nhiên, theo sự tiến bộ trong công nghệ enzyme, và kỹ thuật di truyền đã tạo ra những enzyme có khả năng tổng hợp oligosaccharide cao (Planas và Faijes, 2002) Trong chương này chúng tôi sẽ tập trung vào việc sử dụng các transglycosidases và glycosidases để tổng hợp oligosaccharides vì cả hai đều sử dụng cùng một loại cơ chất và cơ chế tương tự của glycosylation (Sanz-Aparicio et al., 1998)

2 Tổng hợp các oligosaccharides bằng Glycosidase.

Glycosidases (galactosidase) hoặc enzmye nghịch chuyển (trehalase) có tác dụng thủy phân liên kết glycoside có thể duy trì mạng lưới hoặc đảo ngược của cấu hình anomeric tương ứng Glycosidases được sử dụng rộng rãi để tổng hợp oligosaccharide bởi vì: trong điều kiện thích hợp, phản ứng thủy phân bình thường

có thể được đảo ngược theo hướng tổng hợp liên kết glycoside (Ajisaka và

Yamamoto, 2002; Scigelova et al., 1999) Hầu hết các glycosidases được sử dụng

cho mục đích tổng hợp thường dùng là exo-glycosidases Các glycosyl donor có thể là một monosaccharide, một oligosaccharide hoặc surgar-photphate (Thiêm, 1995) Glycosidase-xúc tác tổng hợp oligosaccharide có thể được điều khiển bởi các yếu tố nhiệt động lực học và động học như được giải thích dưới đây

2.1 Nhiệt động lực học Tổng hợp (Reverse Thủy phân).

Trong tổng hợp kiểm soát nhiệt động (tức là phản ứng diễn ra cho đến khi

nó đạt đến trạng thái cân bằng), phản ứng có thể tiến hành giữa hai monosaccharides (tạo thành một disaccharide) hoặc từ một monosaccharide và chất có nhóm OH Nước là sản phẩm trung gian được tạo thành Các yếu tố xác định năng suất ở nhiệt động cơ chất ban đầu, pH, nhiệt độ, cường độ ion, dung môi thành phần,…

Để dịch chuyển theo hướng cân bằng tổng hợp, một (hoặc nhiều) những điều sau đây được sinh ra: a) việc sử dụng nồng độ cơ chất cao; b) Ngoài ra sự hòa tan các chất hữu cơ trong nước cũng làm giảm hoạt động của nước (một lượng nhỏ của nước là cần thiết để duy trì hoạt động enzyme và hoà tan carbohydrates); c) sử dụng acceptor (chất nhận có nhóm OH) như là phản ứng trung bình; d) việc sử dụng nhiệt độ

Thủy phân polysaccharide bằng enzyme nghịch chuyển là khả thi về kinh tế

và đơn giản bởi vì các enzyme yêu cầu là có sẵn và rẻ tiền (ví dụ β-galactosidases

rẻ, enzyme được sử dụng trong công nghiệp thủy phân lactose, và cũng có thể áp dụng cho tổng hợp galactooligosaccharide) Tuy nhiên, sản lượng thu được thường thấp (≤ 20%) Crout và cộng tác viên tổng hợp một loạt các β-D-glucosides (tối đa năng suất 20%) sử dụng almond β-D-glucosidase trong môi trường có chứa

80-90% (v / v) dung môi hữu cơ (acetonitril hay tert-butanol) (Vic et al., 1996) Sử

dụng acceptor-OH (chất nhận có nhóm OH) như dung môi, cân bằng nhiệt động lực học đã được chuyển dịch theo hướng tổng hợp (40-60% năng suất) không chỉ

do khối lượng cơ chất ảnh hưởng tới mà còn bởi các hoạt động nước giảm (Vic và Crout, 1995)

Enzyme α-glucosidases thủy phân liên kết α(1-4) glycoside, rồi vận chuyển glucose tới phân tử nhận là 6-OH acceptor, các sản phẩm tạo thành như isomaltose, panose, vv Ngoài ra,enzyme này còn vận chuyển glucose tới chất nhận có vị trí các nhóm hydroxyl là 2-OH, 3-OH, 4-OH tạo nên các

oligosaccharides liên kết α(1→2), α(1→3) và α(1→4) (Kato et al., 2002) Hình 1

cho thấy các sản phẩm hình thành khi ngưng tụ của glucose xúc tác bằng

α-glucosidase từ B.stearothermophilus Các sản phẩm chính (51%) của phản ứng

ngược lại là isomaltose có một liên kết α(1→6) (Mala và Kralova, 2000)

Hình 1 Gluco-oligosaccharide tổng hợp do thủy phân-đảo ngược

bởi-glucosidase xúc tác từ Bacillus stearothermophilus Điều kiện: 50% (w / w) giải

pháp glucose trong 0,1 M phosphate buffer pH 7,5, 10 ngày Dữ liệu thu được từ Mala và Kralova (2000)

2.2 Sự tổng hợp kinetic (transglycosylation)

Mặc dù sự thuỷ phân nghịch chuyển có lợi thế đơn giản hơn, linh hoạt hơn,

có thể thu được bằng cách sử dụng các glycoside hoạt hoá như là những glycosyl donor Cơ chế glycosylat hoá được duy trì nhờ các glycosidase, được miêu tả trong hình 2

Kết quả của cơ chế này là các cấu hình anomoric của oligosaccharide trùng với các thể cho (donor) ban đầu Sản phẩm của sự thuỷ phân và các chất chuyển hoá được xác định bằng tỉ lệ: k2.[H2O]/k3.[acceptor] (được suy ra từ hình 2)

Tỷ lệ Transferase/hydrolase phụ thuộc vào hai thông số: nồng độ của acceptor và hoạt tính của enzyme (tức khả năng xúc tác gắn acceptor vào phân tử đường để tách nước )

Chất phản ứng bị tiêu hao tỉ lệ nghịch với nồng độ sản phẩm tạo thành cho đến khi nó đạt tối đa Tại thời điểm này tỉ lệ tổng hợp của sản phẩm (k3) bằng tỉ lệ của nó thuỷ phân (k-3) Sau đó khả năng tổng hợp kenetic bị mất và phản ứng phải ngừng lại nhanh chóng trước khi sản phẩm thuỷ phân tạo thành quá lớn

Hình 2: Cơ chế xúc tác của transglycosylation nhờ glycosidase và transglycosidase

Các vị trí hoạt động có 2 cấu tử acid cacboxylic, có vị trí khoảng 5,5Å hoạt động như sau: 1 loại làm nucleophile và 1 acid khác làm chất xúc tác Phản ứng thu được bởi cơ chế dịch chuyển kép Trong đó 1 glycosyl-enzyme cộng hoá trị trung gian được hình thành bởi tác động khử cacboxylat về trung tâm anomoric của cacbohydrat với việc tách được liên kết C-O glycoside Bước này được hỗ trợ của các gốc acid cacboxylic hoạt động như những acid nói chung Bước thứ 2 là

sự tác động của nucleophile (1 cacbohydrat) trên glycosyl- enzyme trung gian được hỗ trợ bởi sự liên hợp base của gốc acid cacboxyl thứ 2

Điều này giải thích tại sao quá trình glycosylat hoá đạt kết quả cao hơn về sản lượng của các sản phẩm ngưng tụ so với quy trình kiểm soát cân bằng Sản lượng tổng hợp bằng phương pháp kinetic chiếm khoảng 40% nhiều hơn so với sản lượng 20% thường thu được trong quá trình nhiệt động kiểm soát Tuy nhiên phản ứng này đòi hỏi thời gian phản ứng phải được kiểm soát nghiêm ngặt để tránh các sản phẩm thuỷ phân chiếm ưu thế

Một số phản ứng có thể làm giảm mức độ thuỷ phân:

(1) Loại bỏ các sảm phẩm glycosylat hoá liên tục bằng kết tinh, hấp phụ có chọn lọc

(2) Sư hiện diện của một thể cho glycosyl phù hợp với phản ứng sẽ làm cho nicleophile hoạt động nhanh hơn nước

(3) Sử dụng nồng độ cao của các acceptor

Cách phổ biến nhất là sử dụng các donor hoạt hoá nhanh chóng và không thể phục hồi để phân cắt sao cho k-1≈0 (h.2) Một số ví dụ điển hình: o và p- nitrophenyl glycosides, vinylglycosides, florua glycosyl hay glycols Những cơ chất có lợi thế

mà các nhóm (floride, phenol) là 1 acceptor yếu và sẽ không cạnh tranh với các phân tử acceptor thực tế Ngoài ra các đường hoạt hoá là nhhững chất nền tốt hơn

so với các sản phẩm được hình thành Tuy nhiên một số glycosidase không chấp nhận có chất hoạt hoá nhưng disaccharide chỉ cao hơn các thể cho là oligosaccharide glycosyl donor

Hình 3: Cơ chế transglycosynlation xúc tác bởi glycosynthase Các saccharide donor là một thể glycosyl hoạt hoá với cấu hình anomeric đối diện của các chất nền bình thường (tức một α-glycosyl floride cho một β- glycosynthase) bắt chước các sản phẩm cộng hoá trị trung gian glycosyl-enzyme Sau khi được một nucleophile gắn lên một floride glycosyl sẽ thu được một disaccharide Phản ứng này không thể đảo ngược vì các sản phẩm được hình thành không thể phản ứng với các vị trí hoạt động vì các nucleophile xúc tác không xuất hiện ở các glycosynthase

2.3 Glycosynthase: một trường hợp đặc biệt.

Khái niệm glycosynthase được giới thiệu năm 1998 bởi Withers và cộng

sự, sử dụng một exo-glycosidase (Mackenzie et el, 1998) và sau đó mở rộng đến endo-glycosidase (Malet và Planas, 1998)

Glycosynthase thay thế tác nhân xúc tác carboxyl là nucleophile thành nhóm non nucleophile ( Ala, Gly, Sir) làm cho enzyme mất khả năng thủy phân, tuy nhiên nó có thể xúc tác họat hóa cho các glycosyl donor có cấu hình anomeric đối xứng với chất nhận được tạo ra từ glycosidase

Để biến đổi glycosidase thành glycosynthase thì cần phải xác định các gốc

có họat tính xúc tác nucleophile Phức hợp enzyme cơ chất trong hệ thống glycosynthase được hình thành bằng cách giữ lại glucosidase và có thể phản ứng với 1 acceptor giống như trong phức hợp trung gian glycosyl- enzyme Bằng cách này trong một số trường hợp sản lượng oligosaccharide thu được ở hiệu suất cao Rất gần đây 1 glycosylthase bắt nguồn từ đường nghịch chuyển đã được báo cáo (Honda và Kitaoka, 2006)

3 Tổng hợp các oligosaccharides BY TRANSGLYCOSIDASES.

Transglycosidases là chất xúc tác sinh học được sản xuất in vitro dùng để tổng hợp oliglosaccharide Nguồn cơ chất của chúng không cần phải gắn các nhóm ngoại khác để tăng mức năng lượng mà sử dụng các loại đường có sẵn mức năng lượng nội tại (như sucrose) hoặc polysaccharides (như tinh bột) (Plou et al., 2002) Transglycosidases cơ chế cũng giống như glycosidases (Hình 2), kết quả là duy trì mạng lưới của cấu hình anomeric của oligosaccharide

Mặc dù chức năng bình thường của transglycosidases là vận chuyển cấu tử glycosyl, nước là sản phẩm trung gian được tạo ra khi mà acceptor được gắn với cấu tử glycosyl nhờ xúc tác của enzyme Trong thực tế việc dùng enzym oligosaccharide hay enzyme glycosidases để sản xuất ra oligosaccharide vẫn còn gây tranh cãi Đối với một enzyme đặc biệt được thiết kế, một transglycosidase nó phải có một khả năng liên kết acceptor và loại trừ H2O Các nhóm quan trọng nhất của transglycosidases là transglucosidases và transfructosidases)

3.1 Transglucosidases

Glucansucrases (EC 2.4.1.5) và cyclodextrin glucosyltransferase (CGTase,

EC 2.4.1.19) là các enzym đại diện nhất cho transglucosidase, cơ chất là các chất

tự nhiên trong số đó là sucrose và tinh bột, tương ứng

3.1.1 Glucansucrases

Một số vi khuẩn tiết ra một loạt các transglucosidases gọi là glucansucrases rằng sucrose sử dụng như là nguồn năng lượng duy nhất để tổng hợp polyme

glucose Glucansucrases là enzyme thứ 70 của enzyme thủy phân hydrolase glycoside (trong phân loại Henrissat) Dextransucrases (sucrose: 1,6-α-D-glucan 6-α-D-glucosyltransferase) được sản xuất bằng cách khác nhau glucansucrases

Leuconostoc mesenteroides chủng chuyển đổi sucrose thành polyme glucose

α(1→6) được liên kết (Dextrans), tạo ra fructose (Monchois et al., 1999) Tuy nhiên, carbohydrates ngắn khác cũng có thể họat động như acceptors (Robyt và Walseth, 1978) Ba phản ứng xúc tác bởi dextransucrase, (a)polymerization của glucose moiety của sucrose, (b) chuyển glucose thành acceptors, và (c) thủy phân sucrose Một số acceptors (ví dụ isomaltose) tạo ra oligosaccharides trong cấu trúc

có nhiều thành phần tương đồng nhau, trong đó có chứa rất nhiều phân tử glucose trong cấu trúc của mình Thứ hai là trường hợp của fructose, đó là một sản phẩm chính trong tất cả các phản ứng dextransucrase-xúc tác Sản lượng fructose

leucrose D-Glup-(1→5)-D-Frup) cùng với một sản phẩm nhỏ, isomaltulose (α-D-Glup-(1→6)-D-Frup) Quá trình tổng hợp leucrose trở nên đặc biệt quan trọng

trong giai đoạn cuối cùng của dextransucrase-xúc tác tổng hợp vì fructose nồng độ cao (Buchholz et al., 1998) Acceptors được phân loại thành hai dạng (ví dụ như maltose), trong đó nâng cao tỷ lệ phản ứng tạo oligosaccharide ( gọi là chu trình fructose release) và ức chế sự tổng hợp oligosaccharide (gọi là chu trình fructose )

Theo các nghiên cứu cho thấy dextransucrases là một loại enzyme phụ thuộc cao vào loại cơ chất (Jeanes et al., 1954) Các dextransucrase từ L

mesenteroides NRRL B-512F synthesises α(1→6) liên kết Gluco-oligosaccharides

(Robyt và Eklund, 1983) Với một vài acceptors như glucose, methyl 1-O-α-D-glucopyranoside, maltose hoặc isomaltose một loạt các isomaltodextrins với một mức độ trùng hợp polyme khác nhau, từ 2-7 là thu được Isomalto-oligosaccharides tạo thành một nhóm quan trọng của Isomalto-oligosaccharides sử dụng như prebiotics, immunostimulants (Goulas et al., 2004) Dextransucrase từ dòng B-1299 cũng có thể hình thức α(1→2) liên kết (Dols-Lafargue et al., 2001; Gómez

de Segura et al, 2003 Gluco-oligosaccharides có chứa liên kết α(1→2) có khả

năng thúc đẩy phát triển có chọn lọc của thực vật có lợi da Dựa trên phản ứng

acceptor với maltose, dextransucrase từ L mesenteroides B-1299 đang được khai

thác để sản xuất 50 Tm / năm cho ngành công nghiệp mỹ phẩm (Dols et al., 1998)

3.1.2 CGTase

Cylodextrin glucanotransferase ( CG Tase) có bản chất transglucosidase thuộc nhóm 13 của glycoside hydrolase( nhóm α amylase ) Nhắc đến nhóm này phải kể đến các enzyme tham gia vào quá trình hồ hóa bao gồm α- amylase, α glucosidases, pullulanase và Isoamylase Đặc điểm chung của nhóm 13 này có chứa (β/α)8 barrel catalytic domain

CGTase xúc tác cho sự hình thành cyclodextrins ( CDs) từ tinh bột xảy ra tại trung tâm phân tử do transglucosylation ( chu trình tạo vòng) diễn ra ở vị trí α(1-4)amylase, tại đây quá trình tạo vòng được hình thành do liên kết α(1-4) glucosidic

CDs được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, hóa chất, mỹ phẩm

CGTase xúc tác tinh bột thành hỗn hợp gồm α, β và γ CDs ( gồm 6, 7, 8

gốc glucose tương ứng) Ví dụ CGTase từ vi khuẩn Thermonanarobacter Sp

chuyển 25%(W/v) tinh bột thành hỗn hợp α , β ,γ CDs với 30% tổng cộng

Ở chu trình tạo vòng ( cyclization), CGTase xúc tác ngay tâm phân tử bởi phản ứng transglucosylation của cyclodextrin ( phản ứng nối) hoặc 1 dãy maltooligosacharide ( phản ứng disproportionation) Thêm vào đó, CGTase có thể xúc tác trong quá trình thủy phân( hydrolysis) của tinh bột và maltooligosaccharide ở mức độ thấp