Evolving the 3-O/6-O regiospecificity of a microbial glycosyltransferase for efficient production of ginsenoside Rh1 and unnatural ginsenoside

人参皂甙 区域选择性 化学 突变体 糖基转移酶 蛋白质工程 定向进化 糖基化 产量(工程) 立体化学 生物化学 催化作用 材料科学 医学 基因 人参 病理 冶金 替代医学
作者
Jianlin Chu,Lu Zhao,Xiaoli Xu,Yuting Li,Bin Wu,Song Qin,Bingfang He
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:261 (Pt 1): 129678-129678 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2024.129678
摘要

Glycosyltransferase is a popular and promising enzyme to produce high-value-added natural products. Rare ginsenoside Rh1 and unnatural ginsenoside 3β-O-Glc-PPT are promising candidates for drugs. Herein, the microbial glycosyltransferase UGTBL1 was able to catalyze the 20(S)-protopanaxatriol (PPT) 3-O/6-O-glycosylation with poor 6-O-regiospecificity. A structure-guided strategy of mutations involving loop engineering, PSPG motif evolution, and access tunnel engineering was proposed to engineer the enzyme UGTBL1. The variant I62R/M320H/P321Y/N170A from protein engineering achieved a great improvement in 6-O regioselectivity which increased from 10.98 % (WT) to 96.26 % and a booming conversion of 95.57 % for ginsenoside Rh1. A single mutant M320W showed an improved 3-O regioselectivity of 84.83 % and an increased conversion of 98.13 % for the 3β-O-glc-PPT product. Molecular docking and molecular dynamics (MD) simulations were performed to elucidate the possible molecular basis of the regiospecificity and catalytic activity. The unprecedented high titer of ginsenoside Rh1 (20.48 g/L) and 3β-O-Glc-PPT (18.04 g/L) was attained with high regioselectivity and yields using fed-batch cascade reactions from UDPG recycle, which was the highest yield reported to date. This work could provide an efficient and cost-effective approach to the valuable ginsenosides.
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