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Structure-Guided Ancestral Evolution of HmfF Yields a Robust Decarboxylase for Terephthalic Acid Degradation

脱羧 对苯二甲酸 辅因子 化学 生物催化 立体化学 黄素单核苷酸 生物化学 基质(水族馆) 生物转化 定向进化 蛋白质工程 黄素组 底物特异性 分子进化 联苯 酶催化 收敛演化 生物 有机化学 热稳定性
作者
Yuqing Wang,Mingdong Wang,Xianglong Li,Xinyu Che,Xuanyu Cao,Jiangang Ren,Yanbin Feng,Song Xue
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (9): 8001-8011
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c14497
摘要

Enzymatic conversion of poly(ethylene terephthalate) into terephthalic acid (TPA) represents a major frontier in environmental biotechnology, yet downstream TPA biotransformation remains constrained by dioxygenases, and no natural TPA decarboxylase has been reported. Here, we combine ancestral sequence reconstruction with structure-guided evolution to engineer HmfF, a 2,5-furandicarboxylic acid decarboxylase, yielding TPA decarboxylase activity. Guided by phylogenetic and structural analyses, 17 ancestral variants were reconstructed, among which HmfF_N1 exhibits exceptional thermostability with Tm over 86 °C and enhances prenylated flavin mononucleotide (prFMN) cofactor binding. Substrate profiling across furandicarboxylic acids, terephthalic acid, and hydroxybenzoic acids shows that HmfF_N1 catalyzes decarboxylation with superior efficiency toward TPA. Relative to the reported enzyme PtHmfF from Pelotomaculum thermopropionicum, HmfF_N1 harbors 42 distal substitutions, and molecular dynamics simulations reveal that HmfF_N1 stabilizes both the prFMN cofactor and the TPA substrate. This study demonstrates that integrating structural insights into ancestral evolution enables the generation of robust enzymes, providing a promising biocatalyst for sustainable plastic utilization.
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