Reductive Amination of Biobased Levulinic Acid to Unnatural Chiral γ-Amino Acid Using an Engineered Amine Dehydrogenase

乙酰丙酸 还原胺化 甲酸脱氢酶 化学 胺化 生物催化 胺气处理 有机化学 组合化学 催化作用 格式化 反应机理
作者
Rui-Feng Cai,Lei Liu,Fei‐Fei Chen,Aitao Li,Jian‐He Xu,Gao‐Wei Zheng
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:8 (46): 17054-17061 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c04647
摘要

Optically pure (S)-4-aminopentanoic acid is a pivotal precursor in the synthesis of therapeutic molecules and pyrrolidinone derivatives. Enantioselective reductive amination of levulinic acid catalyzed by amine dehydrogenases, a readily sustainable material from biobased lignocellulosic waste, represents an attractive approach for the synthesis of (S)-4-aminopentanoic acid. However, the natural amine dehydrogenases reported so far showed insufficient activity toward levulinic acid. Herein, we engineered a naturally occurring amine dehydrogenase from a thermophilic bacterium Petrotoga mobilis (PmAmDH) by directed evolution. The catalytic efficiency of the most active mutant PmAmDHI80T/P224S/E296G was elevated by 18 folds in comparison to the wild-type enzyme. Using PmAmDHI80T/P224S/E296G coupled with formate dehydrogenase for reduced nicotinamide adenine dinucleotide regeneration, 0.5 M of levulinic acid was reductively aminated in more than 97% conversion at 40 °C, generating the corresponding product (S)-4-aminopentanoic acid with >99% ee and 90% yield. Furthermore, we also successfully developed a chemoenzymatic cascade route for the synthesis of (S)-4-aminopentanoic acid from renewable starch. These results indicated that the engineered amine dehydrogenase PmAmDHI80T/P224S/E296G can serve as an efficient biocatalyst for the manufacture of highly valued chiral unnatural amino acids using renewable feedstocks.
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