作为生物质的重要组成，淀粉是植物通过光合作用将太阳能转化为化学能后，以颗粒形式储存于种子、块茎中的能量载体，广泛富集于玉米、小麦等粮食作物中。此外，随着合成生物学与生物催化技术的突破，目前已实现以“一碳化合物”为原料的人工淀粉创制，为应对粮食安全、碳中和目标及生物质资源高效利用提供了颠覆性思路。Amylomaltases（AM, EC 2.4.1.25 at https://www.brenda-enzymes.org/）是淀粉修饰的关键酶，其可通过独特的环化特征调控淀粉生化特性，形成α-1,4-糖苷连接的大环多糖（Cycloamyloses; CA），赋予自然广泛存在以及人工创制淀粉显著的健康益处和医学价值。虽然CA的工业应用在快速发展，但AM独特的环化过程的机制复杂性，以及转糖苷酶家族中转糖基化与水解的微妙相互作用仍然未知，制约了该生物质利用关键酶的智能塑造和性能提升。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖与天然活性物质研究组在淀粉修饰方面取得新进展。研究团队利用大规模分子模拟、二维自由能计算、QM/MM量化计算，以原子分辨率揭示了AM的共价和非共价的完整催化循环，确定了CA合成的决速步骤。在生化实验中，通过策略性地调节多糖链转移步骤，获得了多个活性增强的突变体。酶促动力学结果表明，酶性能的提升主要源于底物转移途径中酶与底物的亲和力的降低，从而加快了糖链在AM表面的转移，促进环化。之后，进一步利用Mass spectrometry，成功检测到了在AM催化多糖底物后，生成了聚合度范围为22至61的CAs，证实了理论计算的推测。此外，还揭示了一直悬而未决的AM中转糖基化和水解关系，量化了二者之间的动力学竞争平衡，从而为设计具有更高效率和特异性的转糖苷酶提供了关键的机制见解。这项研究从工业性能的角度对CA的生物合成过程进行了系统的分子水平的解密，为AM家族提供了清晰的工程蓝图。

该研究近期发表在Journal of the American Chemical Society，第一作者为中国科学院天津工业生物技术研究所博士后刘涵，天津科技大学联合培养硕士生尚天文，和瑞典查尔姆斯理工大学Scott Mazurkewich博士；通讯作者为中国科学院天津工业生物技术研究所宗志友研究员、孙媛霞研究员和中国科学院亚热带生态所印遇龙院士。该项研究获得中国科学院战略性先导科技专项、天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目的支持。

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AM转糖基化反应QM/MM计算示意图