Structure-Guided Engineering of Carbonyl Reductase LbCR to Simultaneously Enhance Catalytic Activity and Thermostability toward Bulky Ketones

热稳定性 化学 催化作用 有机化学 立体化学
作者
Lili Yao,Bin Xue,Yuan‐Fan Ye,Zhi‐Xiu Wang,Yangyang Li,Bo Zheng,Shuyun Ju,Yajun Wang
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c01462
摘要

(S)-2-Chloro-1-(2,4-dichlorophenyl)ethanol ((S)-TCPE) is an important building block for the synthesis of antifungal drug luliconazole. Herein, a carbonyl reductase (CR) from Levilactobacillus brevis (LbCR) was identified for synthesis of (S)-TCPE. Through comprehensive Ala scanning and site-saturated mutagenesis (SSM) targeting the residues surrounding the substrate-binding pocket, the "best" variant LbCRM4 (N96V/E145A/A202L/M206A) was developed, which displays a 26.0-fold increase in catalytic activity, 83.5-fold enhancement in half-life (t1/2) at 40 °C (101.4 h), excellent enantioselectivity (>99.9% e.e.), and broad substrate scope. Compared to the wild-type (WT) LbCR, catalytic efficiency (kcat/KM) of LbCRM4 was increased by 28.0 folds. Furthermore, a high concentration of TCAP (400 g/L) can be transformed (99.9% conversion) within 7 h by using LbCRM4 and an isopropanol/alcohol dehydrogenase/NADPH cofactor regeneration system, giving (S)-TCPE in >99.9% e.e., which is the highest recorded space-time yield (STY, 1288.9 g/L/day) to date. Molecular dynamics (MD) simulations and dynamic cross-correlation matrix analysis elucidated the substantial catalytic performance improvement of LbCRM4. Together, the development of LbCRM4 not only overcomes the trade-offs between catalytic activity and thermostability but also affords an efficient biocatalytic approach for the synthesis of (S)-TCPE featuring a record STY, laying a solid foundation for industrial manufacturing of luliconazole and other active pharmaceutical intermediates.
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