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Discovery and Engineering Imine Reductase for Gram-Scale Synthesis of ( S )-Nicotine

产量(工程) 基质(水族馆) 蛋白质工程 化学 亚胺 突变 组合化学 定向进化 突变体 生物催化 合理设计 还原酶 饱和突变 立体化学 生物化学 底物特异性 化学合成 代谢工程 酶催化 活动站点 定点突变
作者
Shifeng Zhang,Yuting Zou,Hongkui Wang,Jiahai Zhou,Yu Gu
出处
期刊:Organic Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.orglett.6c00459
摘要

An engineered imine reductase variant capable of synthesizing (S)-nicotine was developed through structure-guided directed evolution. Enzyme library screening identified IR-55 as an ideal parent, exhibiting high yield and good enantioselectivity. Targeted combinatorial mutagenesis of a crucial loop (residues 227-236) produced mutant M6 with 97.7% ee. By dynamically regulating the pH within the range of 7.5-8.0, a substrate loading of 250 g/L was achieved, resulting in a conversion rate of 94% after 4 h with space-time yield (STY) of 58.7 g/L/h. Scale-up with 2.5 g of substrate in 20 mL for 6 h yielded 1.23 g of product (97.2% ee, 75.9% isolated yield STY 10.3 g/L/h), demonstrating superior space-time yield and operational efficiency compared to existing biocatalytic routes. This work not only offers an efficient pathway for the industrial synthesis of (S)-nicotine through rational enzyme engineering but also provides a comprehensive strategy to overcome substrate inhibition and enzyme inactivation under high substrate concentration.
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