Изменение климата, которое влияет на выращивание ванили и относительно небольшой урожай с одного растения привели к сокращению предложения и росту цен на натуральный ванильный экстракт. Японские ученые разработали альтернативный и недорогой способ получения натурального ванильного экстракта. Биоинженерный фермент создает натуральный ванилин из феруловой кислоты пшеничных и рисовых отрубей за один шаг.
Экстракт ванили – одно из наиболее широко используемых ароматизаторов в пищевых продуктах и косметике. Приятный и сладкий запах этому классическому аромату придает химическое соединение «ванилин», содержащееся в семенных коробочках ванильных растений, принадлежащих к семейству орхидных. В растениях ванилин синтезируется путем превращения феруловой кислоты ферментом VpVAN. Однако лабораторный биосинтез ванилина из VpVAN растительного происхождения дает лишь очень небольшие количества ванилина и, следовательно, коммерчески непрактичен. Кроме того, хотя химически полученные ванильные эссенции доступны по низкой цене, они не соответствуют вкусу натурального ванильного экстракта, и спрос на последний продолжает оставаться высоким.
Решая эти проблемы, профессор Тошики Фуруя с кафедры прикладной биологии факультета науки и технологий Токийского университета науки и его аспиранты Шизука Фудзимаки и Сацуки Сакамото успешно разработали фермент, который генерирует ванилин из феруловой кислоты растительного происхождения, сообщает Токийский университет науки (TUS) в релизе.
«Феруловая кислота, сырье, представляет собой соединение, которое в изобилии можно получить из сельскохозяйственных отходов, таких как рисовые и пшеничные отруби. Ванилин получают простым смешиванием феруловой кислоты с разработанным ферментом при комнатной температуре. Таким образом, установленная технология может предоставить простой и экологически чистый метод производства вкусоароматических соединений», — объясняет профессор Фуруя. Исследование опубликовано 10 мая 2024 года в журнале Applied and Environmental Microbiology.
Исследователи использовали методы генной инженерии, чтобы изменить молекулярную структуру фермента Ado, который изначально представляет собой фермент оксидазу, присоединяющий атом кислорода к субстрату – изоэвгенолу. В нативном состоянии он не обладает способностью превращать феруловую кислоту в ванилин. Используя анализ структурного моделирования, исследователи смогли предсказать изменения аминокислот в Ado, которые сделают возможным его взаимодействие с феруловой кислотой. На этих линиях они провели серию экспериментов по замене аминокислотных остатков фенилаланина и валина в определенных положениях структуры Ado на различные другие аминокислоты, и продолжили исследования различных сконструированных мутантных белков.
После нескольких проб и ошибок они обнаружили, что мутантный белок, в котором только три специфических остатка фенилаланина и валина заменены на тирозин и аргинин, стабильно реагирует с феруловой кислотой и проявляет высокую конверсионную активность.
Примечательно, что сконструированный фермент не требовал каких-либо кофакторов для преобразования, в отличие от других оксидаз, и производил ванилин в масштабе грамма на литр реакционного раствора с высокой каталитической эффективностью и сродством.
Реакция требовала только смешивания фермента, феруловой кислоты и воздуха (молекулярного кислорода) при комнатной температуре, что технологию ее простым, устойчивым и экономически масштабируемым процессом. Кроме того, молекулярно развитый фермент также проявлял конверсионную активность по отношению к п-кумаровой кислоте и синапиновой кислоте, которые представляют собой соединения, полученные в результате разложения лигнина – распространенных сельскохозяйственных отходов.
До сих пор ни один фермент микробного или растительного происхождения не продемонстрировал способности превращать феруловую кислоту в ванилин в промышленном масштабе. Таким образом, фермент, разработанный в текущем исследовании, демонстрирует значительный потенциал для обеспечения коммерческого и экономически выгодного производства натурального ванилина.
«Использование потенциала микроорганизмов и ферментов для получения ценных соединений из возобновляемых растительных ресурсов предлагает устойчивый подход к минимизации воздействия на окружающую среду. Теперь вместе с компанией-партнером наши исследовательские усилия направлены на достижение реального производства ванилина за счет использования недавно разработанного фермента», заключил профессор Фуруя.
Источник и фото: www.tus.ac.jp.