Stability and Activity Collaborative Improvement of Carbonyl Reductase Based on the Modification Strategy for Transition Zone of the Flexible and Rigid Regions: An Application for Vibegron Chiral Intermediate Synthesis in High Efficiency

化学 催化作用 酶动力学 催化效率 对映体过量 非对映体 热稳定性 基质(水族馆) 对映体 生物催化 立体化学 组合化学 活动站点 对映选择合成 有机化学 反应机理 海洋学 地质学
作者
Xiaojian Zhang,Xiangyang Li,Wen Juan Gu,C. Wang,Tao‐Shun Zhou,Zhi‐Qiang Liu,Yu‐Guo Zheng
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (29): 18353-18365 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c03071
摘要

Carbonyl reductases (EC 1.1.1.148, CRs) make up a group of oxidoreductases that catalyze the asymmetric reduction of prochiral ketones or aldehydes to produce the corresponding chiral alcohols, which are widely used in pharmaceutical and fine chemical industries. However, challenges in improving the enzymatic activity and stability continue to hinder the broader industrial application of the biocatalysts. In this study, a novel strategy was developed to target the transition region between the rigid and flexible domains of EaSDR6 from Exiguobacterium sp. s126. B-factor analysis was used to guide the introduction of mutations (K36D/T75K) at the domain interface. The resulting variant, EaSDR6K36D/T75K, exhibited nearly a 5-fold increase in catalytic efficiency (kcat/Km = 1.53 mM-1·s-1) and an improvement of 10.4 °C in thermal stability (Tm = 54.8 °C). This transition zone engineering enhanced NADPH binding and stabilized the active site, effectively overcoming the activity-stability limitation. In a BuOAc-H2O biphasic system, EaSDR6K36D/T75K was employed to catalyze the asymmetric synthesis of (2S,3R)-2-((tert-butoxycarbonyl) amino)-3-hydroxy-3-phenylpropanoate, a key intermediate for vibegron synthesis. A conversion of 97% was achieved within 36 h at a total substrate concentration of 200 g/L, accompanied by >99% enantiomeric excess (e.e) and >99% diastereomeric excess (d.e). This study presents a practical approach for enhancing enzyme performance and advancing green chiral alcohol synthesis.
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