Machine-Learning-Guided Engineering of an NADH-Dependent 7β-Hydroxysteroid Dehydrogenase for Economic Synthesis of Ursodeoxycholic Acid

NAD+激酶 熊去氧胆酸 辅因子 代谢工程 化学 羟类固醇脱氢酶 脱氢酶 生物化学 羟类固醇脱氢酶
作者
Mu-Qiang Wang,Zhi‐Neng You,Bing-Yi Yang,Zi-Wei Xia,Qi Chen,Jiang Pan,Chun‐Xiu Li,Jian‐He Xu
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:71 (49): 19672-19681 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.3c06339
摘要

Enzymatic synthesis of ursodeoxycholic acid (UDCA) catalyzed by an NADH-dependent 7β-hydroxysteroid dehydrogenase (7β-HSDH) is more economic compared with an NADPH-dependent 7β-HSDH when considering the much higher cost of NADP+/NADPH than that of NAD+/NADH. However, the poor catalytic performance of NADH-dependent 7β-HSDH significantly limits its practical applications. Herein, machine-learning-guided protein engineering was performed on an NADH-dependent Rt7β-HSDHM0 from Ruminococcus torques. We combined random forest, Gaussian Naïve Bayes classifier, and Gaussian process regression with limited experimental data, resulting in the best variant Rt7β-HSDHM3 (R40I/R41K/F94Y/S196A/Y253F) with improvements in specific activity and half-life (40 °C) by 4.1-fold and 8.3-fold, respectively. The preparative biotransformation using a "two stage in one pot" sequential process coupled with Rt7β-HSDHM3 exhibited a space-time yield (STY) of 192 g L-1 d-1, which is so far the highest productivity for the biosynthesis of UDCA from chenodeoxycholic acid (CDCA) with NAD+ as a cofactor. More importantly, the cost of raw materials for the enzymatic production of UDCA employing Rt7β-HSDHM3 decreased by 22% in contrast to that of Rt7β-HSDHM0, indicating the tremendous potential of the variant Rt7β-HSDHM3 for more efficient and economic production of UDCA.
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