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吳邊研究組利用計算推動微生物轉氨元件發掘與氨基酸高效利用

作者: 發布時間:2020.07.15 文章來源:

  近年來,合成生物學的快速發展使微生物發酵生産天然氨基酸的成本持續,氨基酸産業取得了巨大發展,2017年全球氨基酸産量約爲850萬噸,預計到2022年將突破1100萬噸。然而,我國作爲氨基酸生産和消費大國,大宗型氨基酸産品已經進入供過于求的狀態。因此,發展使用生物基L-氨基酸作爲初始原料生産高附加值産品的新型生物技术,对国家的可持续性發展与产业升级具有重要的经济意义和社会价值 
 

  酮酸作爲L-氨基酸合成的直接前體物質人體和動物的新陳代謝中起著重要的作用,被廣泛應用于醫藥(複方酮酸片用于治療慢性肝腎功能衰竭)、食品(功能飲料)、農業養殖業等多個領域。目前酮酸的化學合成需要使用昂貴的催化劑或特殊的起始化合物,從而存在高生産成本和環境不友好等諸多缺點。因此,使用生物基L-氨基酸轉化生産酮酸在可持續性與經濟性方面具有突出優勢。  
 

  近日澳客网彩票的吳邊團隊開發了一種基于轉氨酶的多酶級聯系統,能夠直接將L-氨基酸氧化爲對應的酮酸。該級聯反應具有如下優勢:使用廉價且可再生的底物,通過酶介導的氧氣引入,将轉氨酶的不利化學平衡转移到产物的合成方向,具備優秀的原子經濟性。由于轉氨酶一般只接受一組相似氨基酸作爲底物,這種底物選擇的嚴謹性阻礙了該技術的廣泛應用。爲了解決上述問題,該團隊從生物信息大數據出發通過一系列生物信息學與計算生物學結合的方法,尋找兼容上述級聯反應的新型轉氨元件以擴大其應用範圍通過對序列和結構的組合分析,研究團隊建立了針對不同家族的轉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进行計算篩選,從数据库中的一万余個轉氨元件中选取了27個候選序列進行測試。最終建立了一個由6具有互补的底物选择性的轉氨元件构成的酶工具箱,实现了对天然L-氨基酸的全覆蓋。 

 

  1:通过計算技术挖掘微生物轉氨元件 

 

  在催化劑量的谷氨酸辅助下,该酶級聯窂摩平台可以将绝大多数的L-氨基酸效地轉化爲相應的酮酸(轉化率>99%)。除此之外,該級聯窂摩具有很高兼容性與延展性。该团队将酮酸合成的酶促級聯窂摩与D-氨基酸和N-取代氨基酸的酶促反應進行偶聯,進一步實現了L-氨基酸作爲出發底物疫法合成高附加值手性D-氨基酸和N-取代氨基酸 

  

  2使用微生物酶級聯窂摩高效转化天然氨基酸为高值化合物。 
 

  該項研究打通了L-氨基酸到酮酸及相关高价值衍生物的绿色合成途径,加深了对于轉氨酶底物选择性机制的理解,也为利用計算技术挖掘微生物资源宝库提供了新的借鉴。近期这一成果发表在ACS Catalysis文章的第一作者是微生物研究所博士研究生李濤,吳邊教授爲通訊作者。