长期以来（自1938年以来），人们认为PQQ依赖的膜结合的氧化还原酶催化多羟基化合物（如多元醇D-甘露醇、D-山梨醇、D-阿拉伯糖醇、赤藓糖醇，以及多元醇衍生物如6-氨基山梨醇）中的羟基要符合Bertrand-Hudson法则（Bertrand-Hudson rule），该法则认为只有当多元醇（或其衍生物）具有D-erythro构型才能被PQQ依赖的膜结合的氧化酶所氧化，而且只氧化其中一个羟基，生成相应的酮糖，如氧化具有D-erythro构型的D-甘露醇、D-山梨醇、D-阿拉伯糖醇、赤藓糖醇分别生成D-果糖、L-山梨糖、D-木酮糖以及L-赤藓酮糖（图1a）。而不具有D-erythro构型的多元醇（如木糖醇、L-阿拉伯糖醇、苏糖醇等）则不能被膜结合的PQQ依赖的氧化酶所催化（图1b）。
a
b
图1. 能被膜结合的PQQ依赖的氧化酶所催化的多元醇（a）以及不能被催化的多元醇（b）.
a图中的绿色框中具有d-erythro构型，符合Bertrand-Hudson rule，因此能被膜结合的PQQ依赖的氧化酶所氧化，生成相应的酮糖（蓝色箭头所示）。b图中红色框不具有d-erythro构型，不符合Bertrand-Hudson rule，因此不能被膜结合的PQQ依赖的氧化酶所氧化，不能生成相应的酮糖。
但是该课题组在用多种葡糖杆菌全细胞催化不同的多元醇时发现，半乳糖醇不具有d-erythro构型，不符合Bertrand-Hudson rule，却能被多种葡糖杆菌膜结合的PQQ依赖的氧化酶所催化。更有趣的是，催化位置同时发生在其第3位羟基与第5位羟基，分别生成L-木糖基-3-己酮糖（L-Xylo-3-hexulose）与D-塔格糖（D-tagatose）（图3）。这一发现拓展了葡糖杆菌膜结合的PQQ依赖的氧化酶催化的底物范围，对催化这一特异反应的酶进行蛋白质工程改造，有可能使其获得能催化其它多元醇第3位羟基生成不同3-酮糖（3-ketose）的功能，而3-酮糖是合成一些稀有药用化合物的前体。
图3 葡糖杆菌区域特异性氧化半乳糖醇
半乳糖醇分子的第3位与第5位羟基能同时被膜结合的PQQ依赖的氧化酶所催化，分别生成 L-xylo-3-hexulose 与D-tagatose.
据了解，葡糖杆菌属微生物是重要的工业微生物，由于其缺乏完整的糖酵解途径，而且其细胞内与细胞膜含有丰富的氧化还原酶系，在立体或区域选择性氧化还原方面具有重要的应用。有的催化反应利用细胞质中的氧化还原酶，如制备抗真菌与抗抑郁药的中间体2-hydroxy-1-phenylpropane-1-one，有的利用细胞膜结合的氧化酶，如用于制备α-葡萄糖苷酶抑制剂米格列醇Miglitol与1-脱氧野尻霉素1-Deoxynojirimycin的中间体，以及制备低热量高甜味的稀有糖如5-酮基果糖的氧化酶。膜结合的氧化还原酶有FAD依赖性的，还有PQQ依赖性的，其中PQQ依赖的膜结合的氧化酶在不完全氧化制备稀有糖中发挥重要的作用。
该项研究得到国家自然科学基金的资助。论文链接：
