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【郭瑞庭 宁冬】饲料酶产业链创新怎么玩?
发布时间:2014-06-29 18:31作者:liuxiaofeng来源:

【博亚和讯网:酶制剂从起步到发展,随着评价标准的逐步完善,用户认识程度越来越高,20102011年小麦大幅替代玉米,对酶制剂市场的应用更是起到了巨大的推动作用。此前小编对酶制剂的创新和应用还仅仅停留在发酵菌种筛选、明确单酶功效、根据不同底物制定特异性酶谱,但在泛亚太听了两位博士的演讲后,才知道酶制剂创新空间巨大。】

     台湾基酵生物科技有限公司总经理、中国科学院天津工业生物技术研究所郭瑞庭博士在2014泛亚太大型饲料企业管理与技术发展国际研讨会上介绍了其研究团队利用X-光晶体学技术了解酶蛋白的三维空间结构,根据酶的空间结构来改造酶基因,从而提高酶的活性或应用特性,如热稳定性、耐酸性等。随后泛亚太宁冬博士分享了泛亚太在酶制剂应用方面所做的工作。以下内容为博亚和讯网根据郭瑞庭博士和宁冬博士现场发言整理,未经本人确认。

从蛋白结构发现酶的活化区间 

氨基酸是蛋白质的重要组成部分,主要的氨基酸有20种,其结构是不同的。氨基酸经过空间折叠形成蛋白质,从空间结构发现酶的活化区,即可反推回去修改基因,从而达到强化酶的活化区域功能的作用。

“要真正科学的使用酶制剂,必须以科学的角度彻底了解酶,知道酶的三维空间结构,才能修改基因以增加耐热性,增强活性。这就是我们为什么要用X-射线晶体学来研究酶制剂。”郭瑞庭博士解释。

X-射线晶体学已经广泛的应用在医学领域,比如2014331日,在斯德哥尔摩音乐厅举行的瑞典皇家科学院年会的颁奖典礼上,清华大学施一公教授荣获2014年爱明诺夫奖(Gregori Aminoff Prize),奖励他过去15年运用X-射线晶体学在细胞凋亡研究领域做出的杰出贡献。但X-射线晶体学在酶制剂研究中使用是很少见的。

从工业酶研发角度看,酶制剂研究的三大核心技术:酶基因的筛选、酶的基因改造,酶的大量表达和发酵。基本的技术路线是筛选酶基因——高效表达——复配应用,这3个环节构成酶制剂创新的产业链。 

X-射线晶体学及分子改造核心技术 

利用X-射线晶体学改造酶制剂,首先需要将蛋白质提纯结晶,将晶体放入X光机,经过对焦,收集数据。经过运算,得到电子云密度图,进而得到蛋白质三维空间立体结构。依照蛋白质结构基本组成,可以得到复合体结构。

相对氨基酸来说,酶是大分子,并且随时处于运动状态(活性),所以对酶的改造要有针对性。

比如在对木聚糖酶改造过程中,通过酶的空间结构研究,发现N端对耐热性很重要,不可缺失。对耐热植酸酶改造,需要找到植酸酶蛋白结构中对耐热起作用最大的区域,加强这个区域。

郭瑞庭博士研究团队在20112014年发表了40篇文章,包含美国化学学会会刊等影响因子超过10分的文章。

下一代酶制剂的发展方向

泛亚太宁冬博士认为当前饲料酶制剂的发展还处于第一阶段,NSP酶主要作用是降解大分子聚糖,但不能直接转化为单糖。这也造成了饲料原料中的NSP酶不能被充分利用,目前来看,是巨大的浪费。

对于酶制剂的创新研究来说,首先要评估单酶对单一饲料原料的剂量效应。比如以还原糖作为评估指标,来研究β甘露聚糖酶对棕榈粕的分解效率,当达到10个单位的酶活,还原糖释放量基本达到峰值。β葡聚糖对小麦5个单位即可达到峰值。

体外实验筛选复合酶组合,提高分解效率,动物实验验证。研究中发现,单一木聚糖酶对玉米豆粕型日粮的分解效率随着时间的延长,加单一木聚糖无法显著提高还原糖。但复合酶却可以显著提高效率。这样可以通过体外实验筛选最佳复合酶的配伍方式,提高消化率。比如用β甘露聚糖酶和蛋白酶组合,对于玉米豆粕型日粮,当甘露聚糖酶比蛋白酶30006000时,分解效率达到最高,这是可以再研究加入淀粉酶后的效果,发现当淀粉酶250个单位时,改善效果最好。确定淀粉酶活性后,对β甘露聚糖酶和蛋白酶添加量再次筛选。最后通过动物实验验证复合酶组合的效果。

NSP酶可降低高食糜粘性的问题,释放被包裹的营养物质,促进其消化吸收。

有没有NSP酶可以将大分子多糖彻底降解为单糖?

将纤维素和β-葡聚糖彻底分解所需要的酶有内切β-1-4-葡聚糖酶,先降解为分子量较大的聚糖类物质,然后通过纤维二糖水解酶降解为纤维二糖,经过β-葡萄糖苷酶降解为葡萄糖;或通过内切β-1,3/1,4葡聚糖酶,降解为葡萄糖和低聚糖(3-5个葡萄糖)。

糖苷酶可以提高能量消化率。根据宁博士所介绍的体外实验:

用鸭模型玉米豆粕型日粮评估,在复合酶基础上加高剂量糖苷酶,能量消化率提高1.2%

肉鸡模型玉米豆粕型日粮,加高剂量糖苷酶后,能量消化率提高1.46%

肉鸡模型玉米杂粕型日粮,加高剂量糖苷酶后,能量消化率提高1.59%

复合酶加糖苷酶,与其它非淀粉多糖酶有协同效应。下一步将开展糖苷酶在动物上的实验评估,为饲料企业节省成本,带来经济效益。 

 

郭瑞庭博士 台湾基酵生物科技有限公司总经理

中国科学院天津工业生物技术研究所

 

 泛亚太技术经理 宁冬博士

 

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