Новый фермент расщепляет и синтезирует ранее неизученные гликаны с пребиотическим потенциалом
Гликаны — сложные углеводные цепи, играющие важную роль в биологических процессах. Галактозиды, тип гликанов, содержатся в растениях, животных и микроорганизмах, например, в клеточных стенках растений и в пребиотических олигосахаридах, полезных для здоровья кишечника.
Изучение ферментов, расщепляющих эти гликаны, важно для понимания их пребиотического действия и применения в пищевой и медицинской промышленности.
β-Галактозидазы — ферменты, отщепляющие галактозу от галактозидов. Каждый такой фермент специфичен к определённому типу галактозидов. Они присутствуют, например, в кишечных бактериях человека, таких как Bifidobacterium. Другая кишечная бактерия, Bacteroides xylanisolvens, также способна усваивать широкий спектр углеводов, но её точные возможности изучены плохо.
В новом исследовании группа учёных под руководством доцента Масахиро Накадзимы из Токийского университета науки обнаружила в B. xylanisolvens новый фермент β-галактозидазу. Он специфичен к уникальным гликанам, содержащим галактозу, которые могут обладать пребиотическими свойствами.
В команду вошли Ютака Накадзава (Токийский университет науки), доцент Хироюки Накаи (Университет Ниигаты) и ассистент-профессор Томохико Мацудзава (Университет Кагавы). Исследование опубликовано в Communications Biology 16 января 2025 года.
Мотивация и цель исследования
«Хотя существует множество типов гликанов со сложной структурой, функции и потенциал многих из них неизвестны. Поскольку ферменты необходимы для синтеза гликанов, поиск новых ферментов чрезвычайно важен. Наш новый фермент можно использовать для синтеза больших количеств уникальных гликанов с пребиотическими свойствами, которые могут быть полезны для здоровья человека», — поясняет доктор Накадзима.
Ход исследования и результаты
B. xylanisolvens содержит несколько генов, кодирующих β-галактозидазы. Учёные выявили, что один из них, Bxy_22780, кодирует новый фермент β-галактозидазу.
Изначально фермент не проявлял активности в отношении природных β-галактозидов. Однако при проведении реакций в присутствии мутантного нуклеофила, α-D-галактозилфторида (α-GalF) в качестве донорного субстрата и галактозы или D-фукозы в качестве акцепторного субстрата, команда успешно обнаружила продукты реакции. Исследования методом ЯМР подтвердили, что образующийся дисахарид — это β-1,2-галактобиоза.
Дальнейшее изучение специфичности фермента Bxy_22780 показало, что он высокоспецифичен к галактоолигосахаридам (GOS) — смеси олигосахаридов с различными типами связей. В частности, фермент действует исключительно на GOS, имеющие β-1,2-галактозидные связи. Кинетический анализ также показал, что фермент эффективно действует на β-1,2-галактобиозу и β-1,2-галактотриозу.
Структурное объяснение специфичности
Чтобы понять причину избирательности фермента, исследователи изучили его структуру с помощью рентгеноструктурного анализа. Они обнаружили, что фермент связывается с молекулой метил-β-галактопиранозы в ключевом сайте, называемом субсайт +1.
Структура показала, что химическая группа молекулы расположена таким образом, что идеально подходит для расщепления именно этих сахарных цепей. Эта уникальная структура объясняет высокую специфичность фермента к β-1,2-галактоолигосахаридам.
Значение открытия и перспективы
«β-1,2-Галактоолигосахариды и соответствующие ферменты редко описываются в литературе. Наше открытие — важный шаг к пониманию функций этих уникальных гликанов, чьи роли в значительной степени неизвестны», — объясняет доктор Накадзима.
«Кроме того, хотя в настоящее время нет доказательств, что β-1,2-галактоолигосахариды обладают пребиотическими свойствами, они имеют такой потенциал. Этот фермент также может открыть новые терапевтические возможности для лечения таких заболеваний, как болезнь Шагаса, вызываемая паразитом, который продуцирует гликаны, содержащие эти структуры.
Таким образом, этот новый фермент может не только помочь улучшить здоровье кишечника человека, но и внести вклад в разработку новых жизненно важных лекарств».
Открытие Bxy_22780 знаменует значительный прорыв в исследованиях пребиотиков, открывая возможности для улучшения здоровья человека. Этот фермент может стимулировать разработку инновационных пребиотических продуктов для улучшения здоровья кишечника и поддержки пищеварения, предлагая новые возможности для пищевой промышленности и индустрии биодобавок.