Biosynthetic production of anticoagulant heparin polysaccharides through metabolic and sulfotransferases engineering strategies

肝素 硫转移酶 硫酸化 生物化学 抗凝药 化学 大肠杆菌 代谢工程 硫酸乙酰肝素 重组DNA 基因
作者
Jian-Qun Deng,Yang Li,Yu-Jia Wang,Ye Cao,Shixuan Xin,Xinyu Li,Rui-Min Xi,Fengshan Wang,Juzheng Sheng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-48193-5
摘要

Abstract Heparin is an important anticoagulant drug, and microbial heparin biosynthesis is a potential alternative to animal-derived heparin production. However, effectively using heparin synthesis enzymes faces challenges, especially with microbial recombinant expression of active heparan sulfate N -deacetylase/ N -sulfotransferase. Here, we introduce the monosaccharide N -trifluoroacetylglucosamine into Escherichia coli K5 to facilitate sulfation modification. The Protein Repair One-Stop Service-Focused Rational Iterative Site-specific Mutagenesis (PROSS-FRISM) platform is used to enhance sulfotransferase efficiency, resulting in the engineered NST-M8 enzyme with significantly improved stability (11.32-fold) and activity (2.53-fold) compared to the wild-type N -sulfotransferase. This approach can be applied to engineering various sulfotransferases. The multienzyme cascade reaction enables the production of active heparin from bioengineered heparosan, demonstrating anti-FXa (246.09 IU/mg) and anti-FIIa (48.62 IU/mg) activities. This study offers insights into overcoming challenges in heparin synthesis and modification, paving the way for the future development of animal-free heparins using a cellular system-based semisynthetic strategy.
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