甲基天冬氨酸氨裂解酶EcMAL的半理性改造及其不对称催化D-氨基酸的合成
批准号:
22108089
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
徐培
依托单位:
学科分类:
生物化工与合成生物工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐培
中文摘要
D-氨基酸是手性药物和精细化学品合成的重要结构砌块,具有重要的应用价值,开发高效、绿色的合成方法是当前的研究热点。当前,酶催化法是合成D-氨基酸的重要途径,但仍存在反应过程复杂、产物光学纯度较低、酶稳定性较差等瓶颈问题。本项目拟以甲基天冬氨酸氨裂解酶EcMAL为研究对象,对EcMAL进行半理性改造,重塑其底物结合口袋,翻转其立体选择性,并基于偶联D-天冬氨酸氧化酶的高通量筛选方法,获得可高选择性一步转化富马酸为D-天冬氨酸的突变酶。揭示该酶立体选择性的分子机制,阐明其构效关系,实现烯酸类底物一步法转化为D-氨基酸,为非天然D-氨基酸的合成提供新途径。同时,辅以溶剂工程技术,提高酶的稳定性,以此建立高效、绿色合成D-氨基酸的生物催化体系。项目的开展将为氨裂解酶的催化功能改造奠定理论基础,推动氨裂解酶在非天然氨基酸绿色制造中的应用,为我国医药化工行业的可持续发展做出积极贡献。
英文摘要
D-amino acids are the important building blocks of chiral drugs and fine chemicals and have significant value in lots of applications. The development of efficient and green synthesis pathways has attracted much attention. At present, enzymatic catalysis is an important method to synthesize D-amino acids. However, the complex reaction process, the relatively low optical purity of the products, and the poor enzyme stability limit the enzymatic synthesis. This project intends to use the methylaspartic acid ammonia lyase EcMAL as the research object and engineer EcMAL by semi-rational design to reshape the substrate-binding pocket and switch its stereoselectivity. Based on the high-throughput screening method coupled with D-aspartic acid oxidase, we expect to afford the EcMAL mutant which can stereoselectively one-step transform fumaric acid to D-aspartic acid. At the same time, the molecular mechanism of the stereoselectivity of EcMAL will be revealed and the structure-activity relationship will be clarified. The one-step conversion of olefine acid substrates to D-amino acids will be achieved, thus opening a new way for the biocatalytic synthesis of unnatural D-amino acids. Besides, in the favor of solvent engineering strategy to improve the stability of EcMAL, an efficient and green biocatalytic system for the synthesis of D-amino acids will be established. The project will provide a theoretical basis for the engineering of ammonia lyase and promote the application of ammonia lyase in the green manufacturing of unnatural amino acids. It will also contribute greatly to the sustainable development of the medicine and chemical industry in our country.
非天然氨基酸是重要的精细化工原料和医药中间体。D-氨基酸是天然氨基酸的“非天然”对映异构体,含有D-氨基酸的抗生素和药物具有更长的半衰期。N-甲基化氨基酸是多种生物活性分子的重要组成成分,在制药和精细化工等领域应用广泛。相较于传统的化学合成,生物催化为非天然氨基酸的合成提供了绿色、高效、经济的新途径。.本项目主要围绕氨裂解酶EcMAL的立体选择性和热稳定性改造,以及双酶级联催化非天然氨基酸的生物合成,具体包括:1)以EcMAL为研究对象,基于半理性设计的策略,通过半饱和突变对EcMAL的活性口袋进行重塑,构建了基于颜色筛选的高通量筛选系统,获得有效合成D-天冬氨酸的突变体,实现了立体选择性的部分反转。最佳突变体D5催化D-Asp合成的产率为27.6%,底物12小时内的转化率约46%。2)采用二硫键工程和环化酶结合的策略,半理性改造EcMAL的热稳定性。二硫键突变体的T5030 值增加了2.2-4.8 oC;环化酶突变体最高可增加约18 oC。半衰期t1/2分别达到原来的18.8-25.9倍。3)建立了由L-氨基酸氧化酶催化的L-氨基酸的氧化脱氨和二氨基庚二酸脱氢酶及N-甲基氨基酸脱氢酶催化的α-酮酸的还原胺化两步级联反应,两条催化路线分别用于L-氨基酸上氨基基团的手性反转和N-甲基化。经反应条件优化,该级联催化体系可实现D-苯丙氨酸、D-谷氨酸、D-缬氨酸、D-组氨酸、D-甲硫氨酸、D-精氨酸和D-酪氨酸的合成,产率为5.47-99.4%,产物ee > 99%;可将L-谷氨酸、L-亮氨酸、L-赖氨酸、L-缬氨酸和L-异亮氨酸转化为对应的N-甲基-L-氨基酸,产率为47.2-99.5%。.本项目为氨裂解酶的分子改造奠定理论基础,对推动非天然氨基酸的生物制造起到积极作用,也具有重要的应用价值。
基于相分离多酶区室化策略的非天然D-氨基酸生物合成及调控
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:15.0万元
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批准年份:2024
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负责人:徐培
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依托单位:
PML小体固有成分Sp100A的LLPS与其激活抗病毒天然免疫的相关性研究
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批准号:32370161
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:徐培
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依托单位:
宿主蛋白SP100抑制人类单纯疱疹病毒I型建立复制中心的分子机制的研究
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批准号:31870157
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2018
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负责人:徐培
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依托单位:
人类单纯疱疹病毒I型在用CRISPR技术构建的OCT-1-/-细胞中的感染抑制及其分子机理的研究
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批准号:81802006
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2018
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负责人:徐培
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依托单位:
国内基金
海外基金