Terpenoids are the largest group of natural compounds that display a wide range of biological activities against inflammation, tumor, malaria, and a variety of infectious diseases. Ginsenosides, a special group of triterpenoid saponins, have been a promising resource for antitumor, antiallergic, antidiabetic, and anti-inflammatory activities. Ginsenosides are a special group of triterpenoid saponins that can be mainly classified into dammarane and oleanane types depending on the structures of the aglycone skeleton. Ginsenosides are found nearly exclusively in Panax species (ginseng). Up to now, more than 150 naturally occurring ginsenosides have been isolated from roots, leaves/stems, fruits, and/or flower heads of ginseng. Ginsenosides have been the target of a lot of researches as they are believed to be the main active principles behind the claims of ginsengs efficacy. Studies on the structure-activity relationship of ginsenosides have demonstrated that rare specialty ginsenosides with smaller sugar moieties than intact major ginsenosides, which are absent or rare in nature, exhibit a diversity of biological or pharmaceutical effects.
We found a novel β-glycosidase (BGL167) that can only cleave outer sugars of major ginsenosides and generate specific ginsenosides, Rd with over 90 % purity, and C-O, C-Mx1, or C-Mc1 mixed with F2 or intact major ginsenosides. Structure-based docking simulation and engineering confirmed that an enlargement of entrance region, a sedimentary deposit of cavity region in the binding tunnel of the active site, or a combination of both enlargement and deposit regions can efficiently deglycosylate inner sugars as well as outer sugars of ginsenosides over two order faster than BGL167, resulting in extensive specialty triterpenoid saponins of Rd, F2, C-O, C-Mx1, C-Mc1, and C-K with at least 87 % purity, and C-Y, C-Mx, and C-Mc with 63 % purity mixed with C-K. This can be useful, fruitful, and profitable for research resources and production of specialty ginsenosides from all different types of major ginsenosides by one pot synthesis using a promiscuous enzyme, the engineered form of BGL167.
터페노이드(Terpenoids)는 염증, 암, 말라리아, 및 다양한 감염 질병들에 대한 폭 넓은 생물학적 활성을 보여주는 천연 컴파운드 중 가장 큰 그룹이다. 트라이터페노이드(Triterpenoid)의 특별한 그룹 중 하나인 진세노사이드(Ginsenoside)는 항염증, 항알레르기, 항당뇨 및 항염증 활성 등과 같은 생물학적 효과들에 기인하여 새로운 약리 성분원으로 각광 받고 있다. 아글라이콘 형태에 따라 다마레인(dammarane)과 올레아네인(oleanane)으로 분류되는 진세노사이드는 트라이터페노이드 사포닌의 한 그룹으로 일컬어진다. 진세노사이드는 파낙스 인삼(Panax ginseng)종에서 독점적으로 발견되며, 지금까지 150가지 이상의 천연 진세노사이드들이 인삼의 뿌리, 잎/줄기, 열매, 꽃 등에서 분리되어 오고 있다. 인삼 효능에 관한 많은 주장들 이면에 진세노사이드의 주요 활성 원리들이 존재할 것으로 믿는 수 많은 과학자들의 주요 연구 목표가 되고 있다. 진세노사이드에 관한 구조 활성 관계 연구에 의하면 희귀 진세노사이드는 천연물로는 거의 존재하지 않으며, 부착한 당들의 정교한 가지들이 다양한 생물학적 혹은 약리적 효과들을 보여주고 있을 것으로 설명하고 있다.
여기에서, 특수 진세노사이드인 90 % 이상 순수하게 Rd를 생성하고 F2가 혼합된 C-O, C-Mx1, 혹은 C-Mc1을 생성하는 새로운 베타-글라이코시데이즈 (β-glycosidase)를 발견하고 그 3차원 구조를 결정하였다. 구조 기반한 도킹 시뮬레이션과 합리적 효소 공학을 통하여 입구 영역들의 확장하거나 활성 부위의 터널부위의 공동 영역을 퇴적광상 (sedimentary deposit)으로 형성시켜 메워주거나 혹은 동시에 입구 영역의 확장 및 퇴적광상 형성시키는 경우 그 야생형 (BGL167)보다 진세노사이드에 부착된 당들을 효율적으로 분해할 수 있는 것을 확인하였다. 그 결과 최소 87 % 이상의 순도를 지닌 특수 진세노사이드들인 C-K를 포함하여 Rd, F2, C-O, C-Mx1, 그리고 C-Mc1을 생산할 수 있었고 또한, C-K와 혼합된 63 % 이상의 순도를 지닌 C-Y, C-Mx 및 C-Mc들을 생산할 수 있었다. 이것은 야생형 (BGL167)을 효소 공학을 이용한 합리적 설계를 통하여, 단 하나의 효소로 단 한 번의 반응으로 여러 가지 다른 종류의 주요 진세노사이들로부터 원하는 특수 진세노사이드를 생산할 수 있었다는 점에서 유익할 뿐만 아니라 특수 진세노사이드의 주요 활성 원리들이 존재할 것으로 믿는 수 많은 과학자들의 연구용 재원으로 활용할 수 있다는 점에서 유용할 것으로 사료된다. 또한 이를 통하여, 다른 종류의 트라이터페노이드들이 결합하고 있는 다양한 당들을 분해하는 데 향후 응용될 수 있을 것으로 사료된다는 점은 주목할 만하다.
