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Computational-Guided Hinge-Region Engineering Unlocks QtPheDH for Synthesizing Bulky Naphthyl Amino Acids

铰链 氨基酸 蛋白质工程 化学 计算机科学 生化工程 工程类 结构工程 有机化学 生物化学
作者
Yudong Hu,Wen Zhang,Mengxin Wang,Gaozan Liu,Ulrich Schwaneberg,Ruizhi Han,Guochao Xu,Ye Ni
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (31): 12542-12552 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c04012
摘要

Asymmetric reductive amination of α-keto acids catalyzed by amino acid dehydrogenases (AADHs) provides an atom-efficient and sustainable strategy for synthesizing optically pure non-natural amino acids. However, the narrow substrate spectrum of AADHs often restricts their broader application in green synthesis. Herein, a functional hinge region composed of three helices was identified as a key structural determinant governing substrate recognition and entry in both phenylalanine and leucine dehydrogenases. By engineering the hinge region, the catalytic performance of Qt PheDH, a phenylalanine dehydrogenase from Quasibacillus thermotolerans, was significantly improved. Specifically, variant M2(V311G/S158G) alleviated the steric barrier and facilitated the entry of bulky substrates, enabling the initial amination activity of 1-naphthylglyoxylic acid ( 5a ). Further optimization through binding energy reconfiguration led to the development of M4.2(V311G/S158G/L308M/T126I), which exhibited a 10-fold increase in catalytic efficiency and achieved complete conversion of 100 mM 5a with >99% ee . MD simulations revealed that the enhanced conformational flexibility in the active pocket and widened substrate tunnel were indispensable for accommodating bulkier substrates. These findings highlight the potential of hinge-region engineering in evolving AADHs toward powerful biocatalysts for sustainable and scalable synthesis of bulky non-natural amino acids.
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