Combing multiple site-directed mutagenesis of penicillin G acylase from Achromobacter xylosoxidans PX02 with improved catalytic properties for cefamandole synthesis

头孢金刚醇 化学 饱和突变 酶动力学 水解 立体化学 突变体 生物化学 有机化学 活动站点 头孢菌素 基因 抗生素
作者
Anni Li,Cheng Cheng,Weimin Qi,Xin Pan,Xuanping Xu,Xinyu Wang,Chunying Wu,Jianlin Chu,Bingfang He
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:175: 322-329 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2021.01.194
摘要

Penicillin G acylase (PGA) was an important biocatalyst for enzymatic production of second-generation cephalosporin. PGA from Achromobacter xylosoxidans PX02 (AxPGA) showed relatively lower identity to EcPGA (54.9% in α subunit and 51.7% in β subunit), which could synthesize cefamandole in the kinetically controlled N-acylation (kcNa). Semi-rational design of AxPGA and "small and smart" mutant libraries were developed with minimal screening to improve cefamandole production. A triple mutant αR141A/αF142I/βF24G by combining the mutational sites (βF24, αR141, and αF142) from different subunits of AxPGA showed better performance in cefamandole production, with 4.2-fold of improvement in the (kcat/Km)AD value for activated acyl donor (R)-Methyl mandelate. Meanwhile, the (kcat/Km)Ps value for cefamandole by mutant αR141A/αF142I/βF24G was sharply dropped by 25.5 times, indicating its highly synthetic activity and extremely low hydrolysis of cefamandole. Strikingly, the triple mutant αR141A/αF142I/βF24G could form cefamandole with a yield of 85% at an economical substrate ratio (acyl donor/nucleophile) of 1.3:1 (82% at 1.1:1), which advanced the greener and more sustainable process of cefamandole production than the wild type. Furtherly, the improved synthetic ability and lower hydrolysis of cefamandole by mutant were rationalized using molecular docking.
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