Enhancing Activity and Stability of Transaminase through Integrated Machine Learning, Rational Design, and Directed Evolution Approaches

合理设计 理论(学习稳定性) 定向进化 转氨酶 生化工程 催化作用 计算机科学 化学 人工智能 纳米技术 机器学习 工程类 生物化学 酶 材料科学 突变体 基因
作者
Xiao-min Yi,Haoran Yu,Hongwei Yu,Lidan Ye
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (16): 14150-14160 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c03699
摘要

Transaminases (ATAs) are promising biocatalysts for chiral amine synthesis but often suffer from limited activity and stability, particularly with non-natural substrates. This study integrates machine learning, rational design, and directed evolution to engineer Bacillus megaterium transaminase (BmATA) for synthesizing the Alzheimer’s drug precursor ( S )-1-(3-methoxyphenyl)ethylamine. By employing machine learning algorithms with appropriate feature selection, we identified key mutations that enhanced catalytic properties while maintaining the structural stability. Starting from the wild-type BmATA with merely 4% conversion from 20 mM 3-methoxyacetophenone (1a), the initial engineering efforts yielded a mutant M6X with conversion rates of 95 and 8% from 20 and 50 mM substrates, respectively. Further optimization through disulfide bond design and directed evolution led to the development of the M12X2 mutant with a melting temperature of 77.6 °C, achieving a remarkable conversion rate of 92% from 50 mM 1a. These findings not only underscore the potential of combining computational and experimental approaches in ATA engineering but also highlight the effectiveness of M12X2 as a robust biocatalyst for chiral amine synthesis, paving the way for its future applications in pharmaceutical development.
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