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天津工生所等在β-氨基酸脱氢酶催化机理及改造应用研究中获进展

  手性β-氨基酸不仅是天然化合物中的重要组成部分,而且也是合成一些药物分子的重要砌块。从原子经济性和对环境影响的角度进行考量,氨基酸脱氢酶(AADHs)作为生物催化剂在手性氨基酸的不对称合成中具有较大潜力。然而,与被广泛研究的α-AADHs相比,目前β-AADH家族中已知成员只有l-赤式-3,5-二氨基己酸脱氢酶(3,5-DAHDH),且没有相关晶体结构和催化机理方面的研究报道,对其合成手性β-氨基酸的应用开发也较有限。

  中国科学院天津工业生物所研究员朱敦明、吴洽庆带领团队和天津工生所研究员盛翔、中科院深圳先进技术研究院研究员周佳海等合作,开展了来源于Candidatus Cloacamonas acidaminovorans的3,5-DAHDH(3,5-DAHDHcca)的晶体结构、催化机理及改造应用研究。结果表明,与α-AADHs晶体结构相比,3,5-DAHDHcca存在较大不同。3,5-DAHDHcca的完整催化功能单元是同源二聚体,且活性中心恰好位于两个亚基聚合的区域;而α-AADHs单亚基即可完成催化。通过量子化学计算及定点突变研究,研究人员对该酶的底物结合模式和催化机制有了更深入的了解,确证了关键的底物识别和催化位点;为后期蛋白理性设计提供了指导。研究人员通过重新构建NADPH酰胺基团与附近残基的氢键相互作用,并重塑底物口袋以更好地容纳底物分子,在不牺牲对映选择性的前提下,提高了酶催化活性,获得了对多种脂肪族β-氨基酸活性提高110-800倍的优异突变体。此外,研究人员还利用这些优异突变体还原胺化相应β-酮酸(底物浓度达154 mM),实现了(R)-β-高甲硫氨酸和(S)-3-氨基己酸的高效不对称合成,其ee>99%,分离产率为86%-87%。

  该研究揭示了3,5-DAHDH的底物特异性分子基础和催化反应机理;为进一步设计β-AADHs不对称合成目标β-氨基酸奠定了基础,从而开辟了一条绿色合成b-氨基酸的新途径。研究工作得到国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动、国家重点研究开发项目的支持。相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition上。天津工生所博士研究生刘娜为论文第一作者。

  论文链接

β-氨基酸脱氢酶:晶体结构、催化机理指导的理性设计及合成应用


研究团队单位:天津工业生物技术研究所

分类标签:科学进展  

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