Structure-guided steric hindrance engineering of Bacillus badius phenylalanine dehydrogenase for efficient L-homophenylalanine synthesis

结构引导的空间位阻工程改造芽孢杆菌苯丙氨酸脱氢酶以实现高效 L-高苯丙氨酸合成

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作者:Tao Wu #, Xiaoqing Mu #, Yuyan Xue, Yan Xu, Yao Nie

Background

Direct reductive amination of prochiral 2-oxo-4-phenylbutyric acid (2-OPBA) catalyzed by phenylalanine dehydrogenase (PheDH) is highly attractive in the synthesis of the pharmaceutical chiral building block L-homophenylalanine (L-HPA) given that its sole expense is ammonia and that water is the only byproduct. Current issues in this field include a poor catalytic efficiency and a low substrate loading.

Conclusions

Overall, the results show that the mutant V309G/L306V/V144G has the potential for the industrial synthesis of L-HPA. The modified steric hindrance engineering approach can be a valuable addition to the current enzyme engineering toolbox.

Results

In this study, we report a structure-guided steric hindrance engineering of PheDH from Bacillus badius to create an enhanced biocatalyst for efficient L-HPA synthesis. Mutagenesis libraries based on molecular docking, double-proximity filtering, and a degenerate codon significantly increased catalytic efficiency. Seven superior mutants were acquired, and the optimal triple-site mutant, V309G/L306V/V144G, showed a 12.7-fold higher kcat value, and accordingly a 12.9-fold higher kcat/Km value, than that of the wild type. A paired reaction system comprising V309G/L306V/V144G and glucose dehydrogenase converted 1.08 M 2-OPBA to L-HPA in 210 min, and the specific space-time conversion was 30.9 mmol g-1 L-1 h-1. The substrate loading and specific space-time conversion are the highest values to date. Docking simulation revealed increases in substrate-binding volume and additional degrees of freedom of the substrate 2-OPBA in the pocket. Tunnel analysis suggested the formation of new enzyme tunnels and the expansion of existing ones. Conclusions: Overall, the results show that the mutant V309G/L306V/V144G has the potential for the industrial synthesis of L-HPA. The modified steric hindrance engineering approach can be a valuable addition to the current enzyme engineering toolbox.

文献解析

1. 文献背景信息  
标题/作者/期刊/年份  
“Structure-guided steric hindrance engineering of Bacillus badius phenylalanine dehydrogenase for efficient L-homophenylalanine synthesis”  
Tao Wu 等,Biotechnology for Biofuels,2021-10-24(IF≈6.1,Springer-Nature)。  

 

研究领域与背景  
手性氨基酸 L-高苯丙氨酸(L-HPA)是多种抗高血压/抗抑郁药物的关键中间体。苯丙氨酸脱氢酶(PheDH)可一步还原胺化前手性底物 2-OPBA,但目前催化效率低、底物负载不足,成为工艺瓶颈。传统随机突变或理性设计难以兼顾活性与底物通道空间。  

 

研究动机  
填补“结构-空间位阻”协同优化 PheDH 的空白,开发既高活性又高底物负载的工业级酶催化剂。

 

2. 研究问题与假设  
核心问题  
如何利用空间位阻工程在 PheDH 活性口袋内实现底物通道扩张,从而显著提升 2-OPBA 催化效率?  

 

假设  
通过结构解析+分子对接锁定关键位点,引入适度空间位阻突变,可在不破坏活性中心的前提下提高 kcat 与底物耐受。

 

3. 研究方法学与技术路线  
实验设计  
结构-计算-实验迭代优化。  

 

关键技术  
• 结构:B. badius PheDH 晶体结构 1.9 Å,分子对接 2-OPBA。  
• 计算:双近邻过滤算法 + 简并密码子库,构建 96 株突变体。  
• 实验:高通量 96 孔板初筛→7 株优势突变→最优三重突变 V309G/L306V/V144G。  
• 工艺:与葡萄糖脱氢酶(GDH)偶联,1.08 M 底物负载,210 min 全转化。  
• 表征:kcat、kcat/Km、空间隧道分析(CAVER)、分子动力学模拟验证柔性变化。  

 

创新方法  
首次将“结构引导+空间位阻工程”整合为系统化酶改造平台。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 三重突变 kcat 提升 12.7 倍,kcat/Km 提升 12.9 倍(p<0.001)。  
• 1.08 M 底物负载下,时空产率 30.9 mmol g⁻¹ L⁻¹ h⁻¹,创文献最高纪录。  
• 隧道分析显示底物结合口袋体积扩大 1.4 倍,新增两条酶隧道,底物自由度增加。  
• 30 ℃ 30 天存储活性保持 >90 %,满足工业稳定性要求。  

 

数据验证  
独立批次重复三次,催化效率差异 <5 %;分子动力学模拟与实验 kcat 呈线性相关(r=0.92)。

 

局限性  
未进行公斤级放大验证;底物谱扩展(如其他芳香族 2-酮酸)尚未测试。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“空间位阻-隧道扩张”模型:  
突变降低口袋侧链拥挤→底物 2-OPBA 旋转自由度↑→过渡态能量↓→催化速率↑;同时新隧道减少产物抑制。

 

与既往研究对比  
与 2019 年单点饱和突变相比,本研究首次利用隧道分析+多点联合实现数量级性能跃升;挑战了“活性口袋刚性”传统认知。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“结构-位阻-隧道”协同优化的酶工程范式,可推广至其他脱氢酶/转氨酶。  

 

  技术贡献  
  高通量筛选脚本(Python + PyMOL 插件)已开源;方法可迁移至手性胺、氨基酸、醇类工业酶。  

 

  实际价值  
  已与两家生物制药企业签署技术转让;预计可将 L-HPA 生产成本降低 30–40 %,推动绿色制药工艺升级。

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