Computational redesign of enzymes for regio- and enantioselective hydroamination

对映体药物 氢胺化 对映选择合成 生物催化 基质(水族馆) 化学 组合化学 定向进化 对映体过量 胺化 有机化学 催化作用 区域选择性 生物化学 生物 反应机理 基因 突变体 生态学
作者
Ruifeng Li,Hein J. Wijma,Song Lu,Yinglu Cui,Marleen Otzen,Yue Tian,Jiawei Du,Tao Li,Dingding Niu,Yanchun Chen,Jing Feng,Jian Han,Hao Chen,Yong Tao,Dick B. Janssen,Bian Wu
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Springer Nature]
卷期号:14 (7): 664-670 被引量:174
标识
DOI:10.1038/s41589-018-0053-0
摘要

Introduction of innovative biocatalytic processes offers great promise for applications in green chemistry. However, owing to limited catalytic performance, the enzymes harvested from nature's biodiversity often need to be improved for their desired functions by time-consuming iterative rounds of laboratory evolution. Here we describe the use of structure-based computational enzyme design to convert Bacillus sp. YM55-1 aspartase, an enzyme with a very narrow substrate scope, to a set of complementary hydroamination biocatalysts. The redesigned enzymes catalyze asymmetric addition of ammonia to substituted acrylates, affording enantiopure aliphatic, polar and aromatic β-amino acids that are valuable building blocks for the synthesis of pharmaceuticals and bioactive compounds. Without a requirement for further optimization by laboratory evolution, the redesigned enzymes exhibit substrate tolerance up to a concentration of 300 g/L, conversion up to 99%, β-regioselectivity >99% and product enantiomeric excess >99%. The results highlight the use of computational design to rapidly adapt an enzyme to industrially viable reactions. Computational protein design, without subsequent directed evolution, rapidly provides a set of aspartase variants capable of biocatalytic asymmetric addition of ammonia to substituted acrylates, producing various enantiopure β-amino acids.
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