Rational Engineering ofBacillus cereusLeucine Dehydrogenase Towards α-keto Acid Reduction for Improving Unnatural Amino Acid Production

化学 蛋白质工程 合理设计 蜡样芽孢杆菌 氨基酸 基质(水族馆) 亮氨酸 热稳定性 组合化学 生物化学 立体化学 材料科学 细菌 生物 纳米技术 生态学 遗传学
作者
Junping Zhou,Yaling Wang,Jiajie Chen,Meijuan Xu,Taowei Yang,Junxian Zheng,Xian Zhang,Zhiming Rao
出处
期刊:Biotechnology Journal [Wiley]
卷期号:14 (3): 1800253-1800253 被引量:29
标识
DOI:10.1002/biot.201800253
摘要

Unnatural amino acids (UAAs) play a key role in modern medicinal chemistry such as small molecules and peptide-based drugs with fast-growing markets. Low efficiency for natural enzymes including leucine dehydrogenase (LeuDH, EC1.4.1.9) are one major challenge for UAA production. Here, rational engineering of LeuDH from Bacillus cereus with a structure-based design approach is studied. The results achieve higher enzymatic activity and stability toward α-keto acid reduction by improving the hydrophobic and rigidity of enzymatic substrate entrance tunnel. High catalytic efficiency for variant E116V is associated with the presence of more hydrophobic tunnels that allows easy substrate diffusion, which is confirmed in absorbance spectroscopy study. For variant T45M/E116V, melting temperature and half-lives of thermal inactivation at 60 °C is 62.8 °C and 29.2 h, respectively, much higher than 48.4 °C and 3.4 h of wild type. Structural analysis indicates that an additional hydrogen bond in β5 fold is formed in variant T45M, which results in a more rigid β5 fold leading to better stability. Furthermore, asymmetric synthesis of α-amino acids with coenzyme regeneration reveals higher productivities for variant T45M/E116V. This study indicates the importance of substrate entrance tunnel for enzymatic activities and stability, the engineered LeuDH would better serve UAA production.
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