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Structure-Guided Stepwise Engineering of a Microbial Glycosyltransferase for Highly Regioselective and Efficient Biosynthesis of Salidroside

区域选择性 化学 红景天苷 代谢工程 生物催化 生物生产 糖基转移酶 活动站点 酪醇 生物化学 定向进化 基质(水族馆) 酶 生物合成 组合化学 催化作用 糖基化 有机化学 立体化学 蛋白质工程 葡萄糖基转移酶 裂解酶 化学选择性
作者
Muyang Li,Yiwei Meng,Jishan Li,Laichuang Han,Zhemin Zhou,Zhongmei Liu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (18): 18195-18206
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c04420
摘要

Abstract Uridine diphosphate glycosyltransferases (UGTs) are among the key rate-limiting enzymes in the biosynthesis of salidroside. Plant-derived UGTs often exhibit poor solubility and low catalytic activity, whereas microbial UGTs typically show insufficient regioselectivity for salidroside production. In this study, we performed stepwise engineering of the UGT from Paenibacillus durus (PdUGT) to generate a highly regioselective biocatalyst for salidroside production. Through stepwise reshaping of the active site and the access tunnel, we progressively enhanced the regioselectivity for tyrosol glycosylation from 81.2 to 99.9%, reaching a level comparable to that of natural plant enzymes. Mutations prioritized by SaProt and ΔΔG calculations further increased the melting temperature by 11.2 °C. The final variant, M4, exhibited a 20-fold increase in catalytic efficiency, with a specific activity of 58.5 U·mg−1. In a UDP-glucose recycling cascade, M4 enabled the production of 193.1 mM salidroside with 99.0% conversion and a space-time yield of 5.7 g·L−1·h−1. Molecular dynamics simulations and substrate docking suggested that the improved performance of M4 is associated with tighter binding of tyrosol, suppression of unproductive tyrosol reorientation, and enhanced protein compactness under thermal stress. Substrate profiling confirmed that PdUGT exhibits broad substrate promiscuity, while M4 displays high specificity toward tyrosol and related aromatic alcohols. This work establishes PdUGT as a valuable microbial UGT scaffold and provides experimentally supported design principles for engineering glycosyltransferases. Moreover, this study lays a solid foundation for the industrial bioproduction of salidroside and other glycosides.
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