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Rational design of a highly efficient catalytic system for the production of PAPS from ATP and its application in the synthesis of chondroitin sulfate

化学 硫酸化 硫酸软骨素 酶动力学 酶 生物化学 转移酶 催化作用 立体化学 组合化学 活动站点 糖胺聚糖
作者
Kaifang Liu,Xiulai Chen,Yunlu Zhong,Cong Gao,Guipeng Hu,Jia Liu,Liang Guo,Wei Song,Li Liu
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:118 (11): 4503-4515 被引量:25
标识
DOI:10.1002/bit.27919
摘要

Abstract The compound 3′‐phosphoadenosine‐5′‐phosphosulfate (PAPS) serves as a sulfate group donor in the production of valuable sulfated compounds. However, elevated costs and low conversion efficiency limit the industrial applicability of PAPS. Here, we designed and constructed an efficient and controllable catalytic system for the conversion of adenosine triphosphate (ATP) (disodium salt) into PAPS without inhibition from by‐products. In vitro and in vivo testing in Escherichia coli identified adenosine‐5′‐phosphosulfate kinase from Penicillium chrysogenum (PcAPSK) as the rate‐limiting enzyme. Based on analysis of the catalytic steps and molecular dynamics simulations, a mechanism‐guided “ADP expulsion” strategy was developed to generate an improved PcAPSK variant (L7), with a specific activity of 48.94 U·mg−1 and 73.27‐fold higher catalytic efficiency (kcat/Km) that of the wild‐type enzyme. The improvement was attained chiefly by reducing the ADP‐binding affinity of PcAPSK, as well as by changing the enzyme's flexibility and lid structure to a more open conformation. By introducing PcAPSK L7 in an in vivo catalytic system, 73.59 mM (37.32 g·L−1) PAPS was produced from 150 mM ATP in 18.5 h using a 3‐L bioreactor, and achieved titer is the highest reported to date and corresponds to a 98.13% conversion rate. Then, the PAPS catalytic system was combined with the chondroitin 4‐sulfotransferase using a one‐pot method. Finally, chondroitin sulfate was transformed from chondroitin at a conversion rate of 98.75%. This strategy has great potential for scale biosynthesis of PAPS and chondroitin sulfate.
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