Engineering a Carotenoid Cleavage Oxygenase for Coenzyme-Free Synthesis of Vanillin from Ferulic Acid

香兰素 化学 阿魏酸 短小芽孢杆菌 催化作用 加氧酶 基质(水族馆) 生物化学 脱羧 生物催化 辅因子 酶 反应机理 生物 细菌 生态学 遗传学
作者
Rong Zheng,Qihang Chen,Qingbo Yang,Tian Gong,Ching Yuan Hu,Yonghong Meng
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:72 (21): 12209-12218 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.4c01688
摘要

One-pot biosynthesis of vanillin from ferulic acid without providing energy and cofactors adds significant value to lignin waste streams. However, naturally evolved carotenoid cleavage oxygenase (CCO) with extreme catalytic conditions greatly limited the above pathway for vanillin bioproduction. Herein, CCO from Thermothelomyces thermophilus ( Tt CCO) was rationally engineered for achieving high catalytic activity under neutral pH conditions and was further utilized for constructing a one-pot synthesis system of vanillin with Bacillus pumilus ferulic acid decarboxylase. Tt CCO with the K192N-V310G-A311T-R404N-D407F-N556A mutation ( Tt CCO M3 ) was gradually obtained using substrate access channel engineering, catalytic pocket engineering, and pocket charge engineering. Molecular dynamics simulations revealed that reducing the site-blocking effect in the substrate access channel, enhancing affinity for substrates in the catalytic pocket, and eliminating the pocket’s alkaline charge contributed to the high catalytic activity of Tt CCO M3 under neutral pH conditions. Finally, the one-pot synthesis of vanillin in our study could achieve a maximum rate of up to 6.89 ± 0.3 mM h –1 . Therefore, our study paves the way for a one-pot biosynthetic process of transforming renewable lignin-related aromatics into valuable chemicals.
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