שרשראות פחמימות, או גליקנים, הן תרכובות מורכבות דמויי סוכר הממלאות תפקידים חשובים בתהליכים ובמבנים ביולוגיים שונים בגופנו. גלקטוזידים הם סוג של גליקן שנמצא בצמחים, בעלי חיים ומיקרואורגניזמים. לדוגמה, גלקטוזידים קיימים בקירות תאי צמחים ובסוגים מסוימים של סוכרים מועילים המכונה אוליגוסכרידים פרביוטיים, התומכים בבריאות הבטן. גליקנים רבים המכילים גלקטוז מתווספים גם למזון מעובד כמו מיץ ואבקת חלב בגלל היתרונות הבריאותיים הפוטנציאליים שלהם. לימוד האנזימים המפרקים את הגליקנים הללו חיוני להבנת המנגנונים הפרביוטיים שלהם ולשיפור האופן בו ניתן להשתמש בהם במוצרי מזון ובריאות.
β-galactosidases הם אנזימים המשחררים גלקטוז מגלקטוזידים. עם זאת, ß-galactosidases שונים מכוונים לגלקטוזידים ספציפיים. אנזימים אלה נמצאים במעיים של יונקים, כמו בחיידקי הבטן האנושיים Bifidobacteriumהמסייע לעיכול פחמימות מורכבות. מחקרים אחרונים הראו שחיידק מעי אחר, Bacteroides Xylanisolvensיש פוטנציאל להשתמש במגוון רחב של פחמימות, אם כי מעט מאוד ידוע על יכולותיה המדויקות.
במחקר פורץ דרך, צוות מחקר בראשותו של פרופסור חבר מסאהירו נאקג'ימה מהמחלקה למדע ביולוגי יישומי, הפקולטה למדע וטכנולוגיה באוניברסיטת טוקיו למדע (TUS), יפן, גילה רומן אנזים ß-galactosidase ב- B. xylanisolvens. אנזים זה מכוון באופן ספציפי לגליקנים ייחודיים המכילים גלקטוז המכילים גלקטוז העשוי להיות בעל תכונות פרביוטיקה. הצוות כלל את מר יוטאקה נקזאווה מטוס, פרופסור חבר הירויוקי נקאי מאוניברסיטת ניגאטה, ועוזר פרופסור טומוהיקו מטסוזאווה מאוניברסיטת קגאווה. מחקר זה פורסם באופן מקוון ביולוגיה של תקשורת ב- 16 בינואר 2025.
ד"ר נאקג'ימה, דיבר על המוטיבציה העומדת מאחורי המחקר שלהם, "למרות שישנם סוגים רבים של גליקנים עם מבנים מגוונים ומורכבים, לגליקנים רבים עדיין יש פונקציונליות לא ידועה ושימושים פוטנציאליים. מכיוון שאנזימים חיוניים לסינתזה של גליקנים, החיפוש אחר אנזימים חדשים הוא חשוב ביותר. ניתן להשתמש באנזים הרומן שלנו כדי לסנתז כמויות גדולות של גליקנים ייחודיים עם תכונות טרום -ביוטיות שעשויות להועיל לבריאות האדם."
B. xylanisolvens מכיל מספר גנים המקודדים ß-galactosidases. החוקרים זיהו שאחד הגנים הללו, BXY_22780מקודד רומן ß-galactosidase. בתחילה, האנזים לא הראה שום פעילות כלפי ß-galactosides טבעיים. עם זאת, כאשר נערכו תגובות בנוכחות מוטציה נוקלאופילית, α-D-galactosyl פלואוריד (α-galf) כמצע תורם, וגלקטוז או D-Fucose כמצע מקבל, הצוות גילה בהצלחה מוצרי תגובה. מחקרי תהודה מגנטית גרעינית אישרו כי הדיסכריד המיוצר בתגובות היה β-1,2-galactobiose.
מחקרים נוספים על הספציפיות של האנזים BXY_22780 חשפו כי הוא ספציפי מאוד לגלקטולוסכרידים (GOS), המהווה תערובת של אוליגוסכרידים עם קשרים שונים. ראוי לציין כי אנזים זה ממקד באופן בלעדי ל- GOS שיש להם סוג מסוים של קשר כימי, הנקרא β-1,2-galactosidic. ניתוח קינטי גילה גם כי אנזים זה פועל למעשה על β-1,2-galactobiose ו- β-1,2-galactotriose. כדי להבין מדוע האנזים הוא סלקטיבי, החוקרים בדקו את מבנה האנזים באמצעות מחקרי דיפרקציה של רנטגן. הם גילו שהאנזים נקשר למולקולה הנקראת מתיל β-galactopyranose באתר מפתח שנקרא Substement +1. המבנה הראה כי הקבוצה הכימית של המולקולה ממוקמת באופן שמתאים באופן מושלם לפירוק שרשראות הסוכר הספציפיות הללו. מבנה ייחודי זה מסביר מדוע האנזים הוא מאוד ספציפי ל- β-1,2-galactooligosaccharides.
"לעיתים רחוקות מדווחים לעיתים רחוקות מדווחים על β-1,2-galactooligosaccharides והאנזימים. הגילוי שלנו הוא צעד מכריע להבנת הפונקציות של גליקנים ייחודיים אלה, שתפקידיהם אינם ידועים ברובם"מסביר ד"ר נאקג'ימה."יֶתֶר עַל כֵּן, אמנם אין כרגע עדות לכך ש- β-1,2-galactooligosaccharides הם בעלי תכונות פרביוטיקה, אך הם מחזיקים בפוטנציאל בעניין זה. אנזים זה יכול גם לפתוח דרכים טיפוליות חדשות לטיפול במחלות כמו מחלת צ'אגאס, הנגרמת על ידי טפיל המייצר גליקנים המכילים מבנים אלה. אנזים רומן זה יכול אפוא לא רק לסייע בשיפור בריאות הבטן האנושית אלא גם לתרום לפיתוח תרופות חדשות להצלת חיים. "
הגילוי של BXY_22780 מסמן פריצת דרך משמעותית במחקר פרביוטי, ובעל נעילת הזדמנויות מרגשות לשיפור בריאות האדם. אנזים זה יכול להניע פיתוח מוצרים פרביוטיים חדשניים כדי לשפר את בריאות הבטן ולתמוך בפונקציות עיכול, ומציע הזדמנויות חדשות בענפי המזון והתוספים.
