Engineering Tetrahydrodaidzein Reductase to Eliminate Reverse Catalysis for Efficient Biosynthesis of (S)-Equol

赤道 生物合成 催化作用 化学 还原酶 生物化学 食品科学 生物 内分泌学 大豆黄酮 染料木素
作者
Tianmeng Zhang,Qihang Chen,Yunpeng Liu,Jianhong He,Weiping Zhang,He Qian,Jingwen Zhou,Jian Chen
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c09123
摘要

(S)-Equol, an isoflavone metabolite, is used as a raw ingredient in health food products, phytoestrogen supplements, and functional cosmetics. However, tetrahydrodaidzein reductase (THDR), a flavoenzyme involved in the reversible catalytic activity of converting daidzein to (S)-equol, substantially limits substrate conversion efficiency. In this study, the quantum chemistry cluster model calculation was used to elucidate the reversible catalytic reaction mechanism involving E50 and N5-H of FADH2 docked in THDR. Subsequently, the substrate channel, catalytic pocket, and water channel of THDR were redesigned to obtain the M3-THDR variant (E50D-L136A-D263F-L293V-G294V), which retains high forward dehydroxylation efficiency and suppresses the oxygen-dependent reverse hydroxylation reaction. Finally, the M3-THDR variant significantly enhanced (S)-equol production to 4700 mg/L in a 5 L bioreactor, which is the highest reported (S)-equol yield obtained through microbial fermentation to date. Overall, this study provides a blueprint for translating a mechanism-guided pathway optimization into an industrial-scale production process for functional foods and cosmetic ingredients.
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