Rosetta-Driven Rapid Evolution of meso-Diaminopimelate Dehydrogenases for Structurally Diverse D-Amino Acid Production

生产(经济) 化学 生物化学 氨基酸 立体化学 经济 宏观经济学
作者
Hulin Qiu,Wenzhong Gong,Huilin Huang,Heng Guo,Zhizeng Gao,Lan Liu,Xinjian Yin
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (25): 15847-15859
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c03073
摘要

meso-Diaminopimelate dehydrogenase (DAPDH) holds considerable promise for D-amino acid synthesis but is limited by its low catalytic efficiency toward non-natural substrates. To address this, we present a Rosetta-driven evolution framework that enables the rapid tuning of DAPDH substrate specificity. This approach leverages Rosetta design to guide the construction of a smart-small mutant library, facilitating evolution in just one or two rounds with minimal screening (100-1,000 transformants), thus offering superior efficiency and cost-effectiveness. Using this strategy, the activities of two DAPDHs toward model substrates─benzoylformic acid (1b) and 3-indolepyruvic acid (10b)─were enhanced from undetectable levels to 29.5 and 5.1 U/mg, respectively. The activity toward 1b was nearly ten times higher than the best-reported mutant. The evolved DAPDHs displayed an expanded substrate spectrum and high catalytic performance, enabling the efficient synthesis of structurally diverse bulky D-amino acids at both analytical and preparative scales. The highest concentration of 1b achieved was 0.5 M (100 mL scale), with a space-time yield of 128.46 g/L/day. This study underscores the power of Rosetta-based evolution in accelerating enzyme engineering, offering a versatile and efficient platform for optimizing DAPDHs and other industrially significant enzymes.
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