生物工程酶一步从植物中产生天然香兰素

香草提取物是食品和化妆品中使用最广泛的调味化合物之一。这种经典风味的宜人而甜美的气味是由兰花科香草植物的种荚中发现的化合物“香草醛”赋予的。在植物中，香草醛是通过酶 VpVAN 转化阿魏酸而合成的。然而，实验室从植物来源的 VpVAN 生物合成香草醛只能产生非常少量的香草醛，因此在商业上不切实际。

此外，虽然化学衍生的香草香精价格低廉，但它们与天然香草提取物的风味不符，并且对后者的需求仍然很高。此外，香草植物种植的气候限制以及单株产量相对较低，导致天然香草提取物供应减少和价格飙升。

为了应对这些挑战，东京理科大学科学技术学院应用生物科学系的 Toshiki Furuya 教授及其研究生 Shizuka Fujimaki 和 Satsuki Sakamoto 成功开发了一种酶，可以从植物来源的阿魏酸中产生香草醛。

“原材料阿魏酸是一种可以从米糠和麦麸等农业废料中大量获得的化合物。香草醛只需在室温下将阿魏酸与开发的酶混合即可生成。因此，现有技术可以提供了一种简单且环保的生产风味化合物的方法，”Furuya 教授解释道。他们的研究于2024 年 5 月 10 日发表在《应用与环境微生物学》上。

研究人员使用基因工程方法来修改酶“Ado”的分子结构。 Ado 最初是一种氧化酶，可在底物异丁香酚上添加一个氧原子。

在其天然状态下，它不具有将阿魏酸转化为香草醛的能力。通过结构模型分析，研究人员能够预测 Ado 中氨基酸的变化，这将使其与阿魏酸相互作用。

在这些方面，他们进行了一系列实验，用各种其他氨基酸替换 Ado 结构中特定位置的苯丙氨酸和缬氨酸残基。他们继续检查各种工程突变蛋白的阿魏酸转化能力。

经过多次试验和错误，他们发现仅将三个特定苯丙氨酸和缬氨酸残基替换为酪氨酸和精氨酸的突变蛋白能够与阿魏酸稳定反应并表现出较高的转化活性。值得注意的是，与其他氧化酶不同，该工程酶不需要任何辅因子进行转化，每升反应溶液可产生克级香草醛，与野生型酶相比具有更高的催化效率和亲和力。

该反应仅需要在室温下混合酶、阿魏酸和空气(分子氧)，使其成为一个简单、可持续且经济可扩展的过程。此外，分子进化酶还表现出对对香豆酸和芥子酸的转化活性，这两种化合物是从木质素(一种常见的农业废物)降解中获得的化合物。

到目前为止，还没有微生物或植物来源的酶表现出以工业规模将阿魏酸转化为香草醛的能力。因此，当前研究中开发的酶在实现天然香兰素的商业和经济可行生产方面显示出巨大的潜力。

Furuya 教授在解释其研究的长期影响时表示：“利用微生物和酶的潜力，在温和条件下从可再生植物资源中提取有价值的化合物，为最大限度地减少环境足迹提供了一种可持续的方法。

“目前，我们与一家公司合作，研究重点是通过利用新开发的酶来实现香草醛生产的实际应用。”