科學(xué)家利用計算推動微生物轉(zhuǎn)氨元件發(fā)掘與氨基酸高效利用

近年來，合成生物學(xué)的快速發(fā)展使微生物發(fā)酵生產(chǎn)天然氨基酸的成本持續(xù)降低，氨基酸產(chǎn)業(yè)取得了巨大發(fā)展。然而，我國作為氨基酸生產(chǎn)和消費大國，大宗型氨基酸產(chǎn)品已經(jīng)進入供過于求的狀態(tài)。因此，發(fā)展使用生物基L-氨基酸作為初始原料生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的新型生物技術(shù)，對可持續(xù)性發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

酮酸作為L-氨基酸合成的直接前體物質(zhì)，在人體和動物的新陳代謝中起著重要作用，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥（復(fù)方酮酸片用于治療慢性肝腎功能衰竭）、食品（功能飲料）、農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等多個領(lǐng)域。但目前酮酸的化學(xué)合成需要使用昂貴的催化劑或特殊的起始化合物，從而存在高生產(chǎn)成本和環(huán)境不友好等諸多缺點。因此，使用生物基L-氨基酸轉(zhuǎn)化生產(chǎn)酮酸在可持續(xù)性與經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢。

近日，中國科學(xué)院微生物研究所吳邊團隊開發(fā)了一種基于轉(zhuǎn)氨酶的多酶級聯(lián)系統(tǒng)，能夠直接將L-氨基酸氧化為對應(yīng)的酮酸。該級聯(lián)反應(yīng)使用廉價且可再生的底物，通過酶介導(dǎo)的氧氣引入，將轉(zhuǎn)氨酶的不利化學(xué)平衡轉(zhuǎn)移到產(chǎn)物的合成方向，具備優(yōu)秀的原子經(jīng)濟性。由于轉(zhuǎn)氨酶一般只接受一組相似氨基酸作為底物，這種底物選擇的嚴(yán)謹(jǐn)性阻礙了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。為了解決上述問題，該團隊從生物信息大數(shù)據(jù)出發(fā)，通過一系列生物信息學(xué)與計算生物學(xué)結(jié)合的方法，尋找兼容上述級聯(lián)反應(yīng)的新型轉(zhuǎn)氨元件以擴大其應(yīng)用范圍。通過對序列和結(jié)構(gòu)的組合分析，研究團隊建立了針對不同家族的轉(zhuǎn)氨元件高效快速的計算篩選方法，將未知序列展開到二維平面上，通過對序列所在位置的分布進行計算篩選，從數(shù)據(jù)庫中的一萬余個轉(zhuǎn)氨元件中選取了27個候選序列進行測試。最終建立了一個由6個具有互補的底物選擇性的轉(zhuǎn)氨元件構(gòu)成的酶工具箱，實現(xiàn)了對天然L-氨基酸的全覆蓋。

在催化劑量的谷氨酸的輔助下，該酶級聯(lián)反應(yīng)平臺可以將絕大多數(shù)的L-氨基酸高效地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酮酸。除此之外，該級聯(lián)反應(yīng)還具有很高的兼容性與延展性。該團隊將酮酸合成的酶促級聯(lián)反應(yīng)與D-氨基酸和N-取代氨基酸的酶促反應(yīng)進行偶聯(lián)，進一步實現(xiàn)了從L-氨基酸作為出發(fā)底物，一鍋法合成高附加值手性D-氨基酸和N-取代氨基酸。

該項研究打通了L-氨基酸到酮酸及相關(guān)高價值衍生物的綠色合成途徑，加深了對于轉(zhuǎn)氨酶底物選擇性機制的理解，也為利用計算技術(shù)挖掘微生物資源寶庫提供了借鑒。近期這一成果發(fā)表在ACS Catalysis上，文章第一作者是微生物所博士研究生李濤，吳邊為通訊作者。

通過計算技術(shù)挖掘微生物轉(zhuǎn)氨元件

使用微生物酶級聯(lián)反應(yīng)高效轉(zhuǎn)化天然氨基酸為高值化合物

來源：中國科學(xué)院微生物研究所