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【郭瑞庭 寧冬】飼料酶產業鏈創新怎么玩?
發布時間:2014-06-29 18:31作者:liuxiaofeng來源:

【博亞和訊網:酶制劑從起步到發展,隨著評價標準的逐步完善,用戶認識程度越來越高,20102011年小麥大幅替代玉米,對酶制劑市場的應用更是起到了巨大的推動作用。此前小編對酶制劑的創新和應用還僅僅停留在發酵菌種篩選、明確單酶功效、根據不同底物制定特異性酶譜,但在泛亞太聽了兩位博士的演講后,才知道酶制劑創新空間巨大。】

     臺灣基酵生物科技有限公司總經理、中國科學院天津工業生物技術研究所郭瑞庭博士在2014泛亞太大型飼料企業管理與技術發展國際研討會上介紹了其研究團隊利用X-光晶體學技術了解酶蛋白的三維空間結構,根據酶的空間結構來改造酶基因,從而提高酶的活性或應用特性,如熱穩定性、耐酸性等。隨后泛亞太寧冬博士分享了泛亞太在酶制劑應用方面所做的工作。以下內容為博亞和訊網根據郭瑞庭博士和寧冬博士現場發言整理,未經本人確認。

從蛋白結構發現酶的活化區間 

氨基酸是蛋白質的重要組成部分,主要的氨基酸有20種,其結構是不同的。氨基酸經過空間折疊形成蛋白質,從空間結構發現酶的活化區,即可反推回去修改基因,從而達到強化酶的活化區域功能的作用。

“要真正科學的使用酶制劑,必須以科學的角度徹底了解酶,知道酶的三維空間結構,才能修改基因以增加耐熱性,增強活性。這就是我們為什么要用X-射線晶體學來研究酶制劑。”郭瑞庭博士解釋。

X-射線晶體學已經廣泛的應用在醫學領域,比如2014331日,在斯德哥爾摩音樂廳舉行的瑞典皇家科學院年會的頒獎典禮上,清華大學施一公教授榮獲2014年愛明諾夫獎(Gregori Aminoff Prize),獎勵他過去15年運用X-射線晶體學在細胞凋亡研究領域做出的杰出貢獻。但X-射線晶體學在酶制劑研究中使用是很少見的。

從工業酶研發角度看,酶制劑研究的三大核心技術:酶基因的篩選、酶的基因改造,酶的大量表達和發酵。基本的技術路線是篩選酶基因——高效表達——復配應用,這3個環節構成酶制劑創新的產業鏈。 

X-射線晶體學及分子改造核心技術 

利用X-射線晶體學改造酶制劑,首先需要將蛋白質提純結晶,將晶體放入X光機,經過對焦,收集數據。經過運算,得到電子云密度圖,進而得到蛋白質三維空間立體結構。依照蛋白質結構基本組成,可以得到復合體結構。

相對氨基酸來說,酶是大分子,并且隨時處于運動狀態(活性),所以對酶的改造要有針對性。

比如在對木聚糖酶改造過程中,通過酶的空間結構研究,發現N端對耐熱性很重要,不可缺失。對耐熱植酸酶改造,需要找到植酸酶蛋白結構中對耐熱起作用最大的區域,加強這個區域。

郭瑞庭博士研究團隊在20112014年發表了40篇文章,包含美國化學學會會刊等影響因子超過10分的文章。

下一代酶制劑的發展方向

泛亞太寧冬博士認為當前飼料酶制劑的發展還處于第一階段,NSP酶主要作用是降解大分子聚糖,但不能直接轉化為單糖。這也造成了飼料原料中的NSP酶不能被充分利用,目前來看,是巨大的浪費。

對于酶制劑的創新研究來說,首先要評估單酶對單一飼料原料的劑量效應。比如以還原糖作為評估指標,來研究β甘露聚糖酶對棕櫚粕的分解效率,當達到10個單位的酶活,還原糖釋放量基本達到峰值。β葡聚糖對小麥5個單位即可達到峰值。

體外實驗篩選復合酶組合,提高分解效率,動物實驗驗證。研究中發現,單一木聚糖酶對玉米豆粕型日糧的分解效率隨著時間的延長,加單一木聚糖無法顯著提高還原糖。但復合酶卻可以顯著提高效率。這樣可以通過體外實驗篩選最佳復合酶的配伍方式,提高消化率。比如用β甘露聚糖酶和蛋白酶組合,對于玉米豆粕型日糧,當甘露聚糖酶比蛋白酶30006000時,分解效率達到最高,這是可以再研究加入淀粉酶后的效果,發現當淀粉酶250個單位時,改善效果最好。確定淀粉酶活性后,對β甘露聚糖酶和蛋白酶添加量再次篩選。最后通過動物實驗驗證復合酶組合的效果。

NSP酶可降低高食糜粘性的問題,釋放被包裹的營養物質,促進其消化吸收。

有沒有NSP酶可以將大分子多糖徹底降解為單糖?

將纖維素和β-葡聚糖徹底分解所需要的酶有內切β-1-4-葡聚糖酶,先降解為分子量較大的聚糖類物質,然后通過纖維二糖水解酶降解為纖維二糖,經過β-葡萄糖苷酶降解為葡萄糖;或通過內切β-1,3/1,4葡聚糖酶,降解為葡萄糖和低聚糖(3-5個葡萄糖)。

糖苷酶可以提高能量消化率。根據寧博士所介紹的體外實驗:

用鴨模型玉米豆粕型日糧評估,在復合酶基礎上加高劑量糖苷酶,能量消化率提高1.2%

肉雞模型玉米豆粕型日糧,加高劑量糖苷酶后,能量消化率提高1.46%

肉雞模型玉米雜粕型日糧,加高劑量糖苷酶后,能量消化率提高1.59%

復合酶加糖苷酶,與其它非淀粉多糖酶有協同效應。下一步將開展糖苷酶在動物上的實驗評估,為飼料企業節省成本,帶來經濟效益。 

 

郭瑞庭博士 臺灣基酵生物科技有限公司總經理

中國科學院天津工業生物技術研究所

 

 泛亞太技術經理 寧冬博士

 

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