Linker Peptide Engineering Combined With SA‐PVA Immobilization in Fed‐Batch Biocatalysis for High‐Efficiency Carcinine Synthesis

生物催化 基质(水族馆) 连接器 化学 二肽 合理设计 组合化学 固定化酶 蛋白质工程 催化作用 基质(化学分析) 热稳定性 肽合成 寡核苷酸 酶催化 有机化学
作者
Man Zhao,Mengying Yu,Huiru Yuan,Yiting Shen,Zhiqiang Liu,Yuguo Zheng,Man Zhao,Mengying Yu,Huiru Yuan,Yiting Shen,Zhiqiang Liu,Yuguo Zheng
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
标识
DOI:10.1002/bit.70101
摘要

ABSTRACT Carcinine, a valuable imidazole dipeptide with antioxidant and therapeutic properties, faces biosynthesis challenges due to enzyme aggregation and substrate inhibition. In this study, an integrated strategy combining linker peptide engineering and immobilization was applied to address these challenges and enhance carcinine production. Rational design of linker peptides (D 5 , L 2 , L 3 ) in the sfp‐Ebony fusion protein enabled its highest soluble expression in WSL 2 E strain, achieving 93.1% conversion efficiency—3.5‐fold higher catalytic efficiency than WSGE strain. Response surface methodology optimized sodium alginate‐polyvinyl alcohol (SA‐PVA) immobilization parameters (5% PVA, 3% SA, 2.3% CaCl₂), yielding excellent immobilized WSL 2 E@SA‐PVA cells with 95.93% activity recovery. Structural characterization by scanning electron microscopy (SEM), Fourier‐transform infrared spectroscopy (FT‐IR), and X‐ray diffraction (XRD) confirmed the formation of a porous SA‐PVA matrix that protected cells from harsh conditions. The immobilized biocatalyst exhibited superior operational stability (retaining > 80% activity after 7 cycles) and storage stability (maintaining 44.89% activity after 14 days at 4°C). Fed‐batch scale‐up (50 mL) achieved a record carcinine titer of 71.13 mM, mitigating the inhibitory effect of high substrate concentrations through phased substrate feeding. This study provides a scalable biocatalytic platform for industrial carcinine production, effectively addressing key bottlenecks in biocatalyst stability and substrate tolerance.
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