菊糖是一种的天然果聚糖，广泛存在于菊芋、牛蒡等植物组织中；作为廉价糖质资源，菊糖的高值化生物加工利用受到广泛关注。菊糖果糖转移酶（IFTase）能够催化菊糖水解生成双果糖酐III（DFA-III），DFA-III具有多种优越的生理调节作用，包括益生元、促进微量元素吸收、抗龋齿、利尿、改善便秘等方面均有重要功效。DFA-III可以被微生物DFA-III水解酶（DFA-IIIase）进一步水解生成菊二糖并发挥功能，但其催化机制尚不清楚。
在本研究中，作者从氯酚节杆菌中首次分离得到一种DFA-IIIase，此酶不仅能够水解DFA-III，同时具有IFTase活性能将菊糖降解为DFA-III，即该DFA-IIIase是一种具有连续催化菊糖能力的双功能酶。作者通过多种不同状态的单体及复合物晶体结构，阐明了DFA-IIIase的水解机制，揭示了IFTase和DFA-IIIase功能转化机制，并解释其连续催化菊糖水解和DFA III水解的分子机制。DFA-IIIase与IFTase整体结构十分相似，活性中心的催化残基完全相同，只是DFA-IIIase活性口袋上方多出一个盖子。去除了盖子的DFA-IIIase表现出IFTase活性，而失去了DFA-III水解活性；同时，这个构型可变的盖子起到开关调节催化残基的质子状态作用，从而实现连续催化菊糖底物的作用。另外，作者基于结构对盖子区域进行理性设计突变，获得了催化活力大幅度提高的突变体C387A。并通过对C387A的晶体结构的研究解析了这种活力提高机制。因此，该工作一方面从原子水平上阐明了DFA-IIIase水解DFA-III的分子机制，以及提供了一个酶功能互变和酶连续催化的有趣例子，另一方面，为其他酶类的多功能连续催化改造设计研究提供了新的视角。
图1.双功能酶DFA-IIIase催化菊糖和DFA-III示意图
研究成果以“Structural and Functional Basis of Difructose Anhydride III Hydrolase, Which Sequentially Converts Inulin Using the Same Catalytic Residue“为题发表于美国化学会著名期刊《ACS Catalysis》（2018, 8:10683-10697）。该论文通讯作者为江南大学沐万孟教授和中国科学技术大学生命科学与医学部和合肥微尺度物质科学国家研究中心李旭副教授，第一作者为江南大学郁书怀博士生和中国科学技术大学沈辉博士。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.8b02424