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From Semirational to Rational Design: Developing a Substrate-Coupled System of Glucose Dehydrogenase for Asymmetric Synthesis

辅因子 饱和突变 基质(水族馆) 热稳定性 定向进化 合理设计 蛋白质工程 化学 突变体 组合化学 变构调节 立体化学 纳米技术 生物化学 材料科学 生物 生态学 基因
作者
Qipeng Yan,Xinhua Zhang,Yingzhuang Chen,Bin Guo,Pei Zhou,Yongning Wu,Qi Huang,Jianbo Wang
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (11): 6746-6755 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c00705
摘要

Glucose dehydrogenase (GDH) generally functions as an expensive cofactor NAD(P)H regenerator in an enzyme-coupled cofactor regeneration system, as in the production of fine chemicals. However, whether GDH can accept substrates other than glucose remains to be explored. Based on a known mutant of GDH with high thermostability, DN46 (E170K–K252L), we employed semirational design-based directed evolution to expand its substrate scope and promote its application in the asymmetric synthesis of methyl 2-hydroxyl carboxylates. After one round of saturation mutagenesis and two rounds of iterative saturation mutagenesis, an enantioselectivity-enhanced mutant DN46-E96Q-H147V (>99% ee, R-preference) and enantioselectivity-reversed mutant DN46-E96Q-I150A-W152L with high enantioselectivity (>97% ee, S-preference) evolved. With glucose as a cosubstrate, we developed a dual-function GDH-based substrate-coupled cofactor regeneration system for asymmetric synthesis. Furthermore, in light of a deeper understanding of the catalytic mechanism, a rational design was successfully performed to create a mutant DN46-W152G for the upscaled synthesis of (R)-2-chloromandelic acid methyl ester, the precursor of the medicine (S)-clopidogrel. This work expands the utilization of GDH, provides a design method for rational design of this enzyme, and will support future work regarding its application toward achieving even broader substrate scope.
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