Enhancing the Enantioselectivity and Catalytic Efficiency of Esterase from Bacillus subtilis for Kinetic Resolution of l-Menthol through Semirational Design

动力学分辨率 饱和突变 薄荷醇 化学 催化作用 枯草芽孢杆菌 对映体过量 醋酸乙烯酯 酯酶 定向进化 乙酸乙酯 生物催化 有机化学 脂肪酶 突变体 对映选择合成 生物化学 反应机理 基因 生物 聚合物 细菌 遗传学 共聚物
作者
Jiawei Zhou,Yumin Sang,Zhuang Wang,Jiacheng Feng,Linjiang Zhu,Xiaolong Chen
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:72 (4): 2277-2286 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.3c08321
摘要

Enzymatic kinetic resolution is a promising way to produce l-menthol. However, the properties of the reported biocatalysts are still unsatisfactory and far from being ready for industrial application. Herein, a para-nitrobenzylesterase (pnbA) gene from Bacillus subtilis was cloned and expressed to produce l-menthol from d,l-menthyl acetate. The highest enantiomeric excess (ee) value of the product generated by pnbA was only approximately 80%, with a high conversion rate (47.8%) of d,l-menthyl acetate with the help of a cosolvent, indicating high catalytic activity but low enantioselectivity (E = 19.95). To enhance the enantioselectivity and catalytic efficiency of pnbA to d,l-menthyl acetate in an organic solvent-free system, site-directed mutagenesis was performed based on the results of molecular docking. The F314E/F315T mutant showed the best catalytic properties (E = 36.25) for d,l-menthyl acetate, with 92.11% ee and 30.58% conversion of d,l-menthyl acetate. To further improve the properties of pnbA, additional mutants were constructed based on the structure-guided triple-code saturation mutagenesis strategy. Finally, four mutants were screened for the best enantioselectivity (ee > 99%, E > 300) and catalytic efficiency at a high substrate concentration (200 g/L) without a cosolvent. This work provides several generally applicable biocatalysts for the industrial production of l-menthol.
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