引言
寡糖和糖复合物在各种生物过程中起重要的作用，其生物合成由不同糖基转移酶参与催化。这些酶区域和立体选择性地转移特异性核苷二磷酸糖的单糖残基合成各类糖基产物。得益于酶工程学的快速发展，糖基转移酶成为合成天然和非天然生物轭合物 的强大工具。但真核生物糖基转移酶催化底物仅限于有限几种核苷二磷酸糖，其中尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)就是最重要的生物合成糖甙、寡糖、多糖和糖蛋白等含糖基化合物的糖基供体之一。UDPG在新型药物和新型甜味剂的开发中得到应用。例如，UDPG作为糖基供体经ORF-36-28 酶催化合成抗生素BE- 7585A; 六位碳被标记的14C-UDPG作为唯一糖基供体经UDP糖基转移酶催化合成甜菊糖的主要糖甙。而同位素标记的UDPG的应用也拓宽了糖组学的研究思路。此外，UDPG还是合成其他核苷二磷酸单糖，如尿苷二磷酸半乳糖、尿苷二磷酸葡萄糖酸、尿苷二磷酸木糖等的前体。
UDPG在结构上是由一分子葡萄糖和一分子尿苷二磷酸所组成，1950年由Leloir和他的同事在研究半乳糖向葡萄糖转化过程中首次发现。其作为构建糖基衍生物的重要中间体，合成难度大且价格昂贵，故探索如何高效合成UDPG一直受到研究人员的关注。UDPG合成方法主要有化学法和生物法。化学法合成UDPG研究最早，主要有两种途径: 一是偶联尿苷单磷酸盐与糖基磷酸盐;二是偶联尿苷二磷酸盐与糖基磷酸盐。例如，Mofftta、Roseman和Simon等以尿苷-5'-单磷酸盐与葡萄糖-1-磷酸盐偶合产UDPG;Arlt和Hanessian等以尿苷-5'-二磷酸盐与糖基磷酸盐耦合产UDPG。近几年，有研究者通过制备端基特异性的尿苷磷酸盐或糖基磷酸盐进行高立体选择性合成UDPG，大大提高了UDPG的产率。但化学法存在反应时间长、合成效率低、成本高、立体选择性不高等缺点，不利于产业的发展趋势; 而生物法利用UDPG合成酶系产UDPG，具有低成本、无污染、立体选择性高等特点，受到研究者越来越多的关注。生物法主要包括酶法和全细胞催化法，本文将综述UDPG的酶法合成的研究进展。
UDPG的酶法合成[1]
1、一锅法合成UDPG
早期研究的酶法合成UDPG通常都是通过Leloir途径，从六位碳被标记的14C-葡萄糖出发，经巳糖激酶、葡萄糖磷酸变位酶、UDPG焦磷酸化酶三步酶法催化，过程中需要添加腺苷三磷酸(ATP)和尿苷三磷酸(UTP)等辅底物，产率达到80% ～ 95%。葡萄糖-1-磷酸的生成是所有反应的限速步骤，反应平衡不利于葡萄糖-1-磷酸的生成，而添加焦磷酸酶能够迅速转移过程产生的焦磷酸，使得整个过程有效正向进行。Ma等从13C标记葡萄糖出发，利用传统Leloir途径偶联尿苷三磷酸再生系统合成UDPG，实现了UDPG的0.5g级高产，产率达到70%。在整个过程中，添加由丙酮酸激酶参与的尿苷三磷酸再生系统来保持尿苷三磷酸浓度。之前有报道称，当UTP/Mg2+摩尔比达到1∶1或1∶2时，Leloir法制备UDPG产率非常低，但Ma等发现，UTP/Mg2+摩尔比1∶2 时，UDPG的产率仍达到 85%以上，证实了高浓度Mg2+并不是Leloir法产UDPG的重要抑制因素，而当UTP浓度高于2mmol/L时，UDPG产率显著降低，因此UTP的浓度是影响UDPG产率的重要因素。
Bae等在大肠杆菌MV1184( Escherichia coli MV1184)中重组表达栖热菌GK24(Thermus caldophilus GK□24)UDP糖焦磷酸化酶(Up)，将重组酶纯化后用于转化UDPG。实验结果表明UDPG转化率达到31.6%，产物纯化后UDPG产率达到9.7%，当以N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)为底物生产UDPGlcNAc时，产物纯化后产率达到41.1%。Muthana等以普通葡萄糖-6-磷酸为底物，通过重组表达长双歧杆菌ATCC55813(Bifidobacterium longum ATCC55813)UDPG焦磷酸化酶(BLUSP)和多杀巴斯德菌无机焦磷酸酶(PmPpA)双酶偶合小规模产UDPG，UDPG产率高达99% ，避免了使用昂贵的13C或14C葡萄糖。因此采用基因重组表达 外源酶系的方法使酶来源不再受限制，给UDPG酶法合成提供了新思路。
2、两步酶法合成UDPG
Zervosen等报道了一种两步酶法合成UDPG。尿苷单磷酸(UMP)经尿苷单磷酸激酶生成尿苷二磷酸(UDP)，这一步伴随着ATP的去磷酸化并偶联丙酮酸激酶催化的ATP再生过程，UDP在蔗糖合酶(SuSy)的催化下与蔗糖发生反应生产UDPG和果糖，如图所示，UDPG产率为38%。在反应过程中，蔗糖合酶利用蔗糖糖基基团的能量直接催化蔗糖的裂解，避免使用昂贵的活化葡萄糖，SuSy从稻米中提取获得，每千克稻米约产63U的蔗糖合酶。Romer等在酿酒酵母22574d中表达土豆(Solanum tuberosum L．)蔗糖合酶(SuSy1)，30L发酵罐中连续发酵36h，粗酶液中SuSy1比酶活达0.3U/mg，与稻米产SuSy相比，产率提高7倍左右。
3、糖基转移酶可逆催化合成UDPG
Ryu等发现一种新型的糖基转移酶可逆催化海藻糖制备UDPG法。来源于Pyrococcus horikoshii的海藻糖糖基转移酶(TreT)能够催化核苷二磷酸葡萄糖和单糖产海藻糖，普遍的观点认为这类基于核 苷磷酸糖的糖基转移酶催化的反应是不可逆的。但已有报道称另一种来源于Thermococcus litoralis的海藻糖糖基转移酶能够催化可逆的反应。Ryu等也发现来源于Pyrococcus horikoshii的海藻糖糖基转移酶能够可逆地催化海藻糖和尿苷二磷酸产UDPG，如下图所示，并设计了一个固定化酶分批催化产UDPG的过程。以超滤膜固定化糖基转移酶，重复19批次循环反应，平均每批产率达10%，证实了固定化海藻糖糖基转移酶能够用来批量催化产UDPG。
参考文献
[1] 陈圣,李艳,刘欢,等. 生物法合成尿苷二磷酸葡萄糖的研究进展[J]. 中国生物工程杂志,2012,32(9):125-130.