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Tallinn工生所确立依据膳食纤维脱氢酶的β-果胶合成新格局

非天然的d-氨基酸除了具有天然氨基酸的大部分功能外,还具有天然氨基酸所不具备的优良性能,在药物合成、食品、化妆品等方面具有广泛的用途。利用d-氨基酸脱氢酶可以以酮酸和铵盐为原料通过还原氨化一步生成d-氨基酸。然而,d-氨基酸脱氢酶很少存在于自然界中,研究最多的是一类meso-二氨基庚二酸脱氢酶。DAPDH及其突变体可以不对称还原胺化2-酮酸生成对应的d-氨基酸,如d-缬氨酸、d-亮氨酸、d-苯丙氨酸等。但是,DAPDH很难作用于一些大位阻的2-酮酸,如3,3-二甲基-2-氧代丁酸、苯乙醛酸和吲哚-3-丙酮酸。

手性胺是许多医药、农药等精细化学品的重要结构单元。其中一些β-氨基酸不仅具有独特的生物和药理特性,同时也是合成许多生物活性分子的重要中间体,近年来手性β-氨基酸的合成受到了越来越多的关注并取得了相当大的进展。在诸多的手性胺合成方法中,以NH3为氨基供体的羰基化合物不对称还原胺化反应具有很大的吸引力,因其反应的副产物是水,从原子经济学和对环境影响的角度来看,均具有极大的优越性。然而,不对称还原胺化反应仍然是有机合成中有待解决的难题,虽然基于α-氨基酸脱氢酶的α-酮酸的还原氨化已经成功应用于多种α-氨基酸的制备,但是直接还原胺化β-酮酸制备β-氨基酸的报道却很少见。

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员朱敦明、吴洽庆带领的生物催化与绿色化工团队,在前期研究工作基础上(Applied and Environmental Microbiology2012,Applied and Environmental Microbiology2013 和ChemBioChem 2013),探索该类酶的分子机制并拓展其在d-氨基酸合成方面的应用潜力,对来源于Symbiobacterium thermophilummeso-二氨基庚二酸脱氢酶进行半理性设计及饱和突变,获得一株突变体W121L/H227I,不仅对大位阻2-酮酸底物展现出优良的活性,成功合成了对应的d-氨基酸(d-苯甘氨酸,d-色氨酸,d-叔亮氨酸),而且提高了对其他结构2-酮酸的比活力。通过docking模拟,将底物与野生型和突变体进行分子对接,发现突变之后的底物结合口袋发生了重塑,不仅可以容纳这些大位阻底物,同时拉近了底物与辅酶之间的催化距离,使其获得对大位阻底物的催化活性。这一结果为进一步重塑底物结合口袋,获得高活性的d-氨基酸脱氢酶以合成更具挑战性的d-氨基酸提供了基础。相关研究成果已发表于Catalysis Science & Technology

近日,中国科学院天津工业生物技术研究所研究员朱敦明和吴洽庆带领的生物催化与绿色化工团队通过蛋白质工程手段获得了β-氨基酸脱氢酶,并应用于制备β-氨基酸。科研人员利用基因组挖掘方法获得了来源于Candidatus Cloacamonas acidaminovorans的L-赤式-3,5-二氨基己酸脱氢酶(3,5-DAHDHcca),该酶对(3S,5S)-二氨基己酸具有高活性和选择性。通过底物结构域扫描突变文库筛选方法,将底物特异性严格的3,5-DAHDHcca改造为β-氨基酸脱氢酶,该酶能将-β-高甲硫氨酸活力提高200倍,并对-β-苯丙氨酸、-β-高酪氨酸、-β-氨基丁酸、-β-高赖氨酸及-β-高丝氨酸具有活性。利用突变体酶在腈水解酶和脂肪酶协助下以β-酮腈化合物和β-酮酸酯为底物合成了-β-高甲硫氨酸、-β-苯丙氨酸及-β-氨基丁酸,同时解决了β-酮酸的不稳定问题。这是首次利用氨基酸脱氢酶直接还原胺化β-酮酸制备β-氨基酸的报道,该研究成果为手性β-氨基酸合成提供了一条新的途径。

该研究工作得到国家自然科学基金(No.21778072)、天津市科学技术委员会(15PTCYSY00020和15PTGCCX00060)的支持。天津工生所博士研究生程新宽为论文的第一作者。

该研究得到国家自然科学基金面上项目和科技部“973”项目的支持,相关研究成果与该团队近期另一羰基还原酶研究成果发表在ACS Catalysis期刊。天津工生所张大龙为论文的第一作者。