手性β-胺基酸不僅是天然化合物中的重要組成部分,而且是合成許多藥物分子的重要砌塊。從原子經濟性和對環境的影響考量,胺基酸脫氫酶(AADHs)作為生物催化劑在手性胺基酸的不對稱合成中具有巨大潜力。然而,與被廣泛研究的α-AADHs相比,現時β-AADH家族中的已知成員只有l-赤式-3,5-二氨基己酸脫氫酶(3,5-DAHDH),且沒有相關晶體結構和催化機理方面的研究報導,對其合成手性β-胺基酸的應用開發也非常有限。
中國科學院天津工業生物所朱敦明研究員、吳洽慶研究員帶領的團隊與盛翔研究員及中國科學院深圳先進院周佳海研究員等團隊合作,開展了來源於CandidatusCloacamonas acidaminovorans的3,5-DAHDH(3,5-DAHDHcca)的晶體結構、催化機理及改造應用研究。結果表明,3,5-DAHDHcca與α-AADHs晶體結構相比有很大的不同。3,5-DAHDHcca的完整催化功能單元是同源二聚體,且活性中心恰好位於兩個亞基聚合的區域;而α-AADHs單亞基即可完成催化。通過量子化學計算及定點突變研究,一方面對該酶的底物結合模式和催化機制有了更加深入的瞭解,確證了關鍵的底物識別和催化位點;另一方面,也為後期蛋白理性設計提供了非常有力的指導。通過重新構建NADPH醯胺基團與附近殘基的氫鍵相互作用,並重塑底物口袋以更好地容納底物分子,在不犧牲對映選擇性的前提下極大地提高了酶催化活性,獲得了對多種脂肪族β-胺基酸活性提高110-800倍的優异突變體。並且,利用這些優异突變體還原胺化相應β-酮酸(底物濃度達154mM),實現了(R)-β-高甲硫氨酸和(S)-3-氨基己酸的高效不對稱合成,其ee>99%,分離產率為86%-87%。
本研究不僅揭示了3,5-DAHDH的底物特异性分子基礎和催化反應機理,而且為進一步設計β-AADHs不對稱合成目標β-胺基酸奠定了堅實的基礎,從而開闢了一條綠色合成b-胺基酸的新途徑。
該研究工作得到國家自然科學基金、天津市合成生物技術創新能力提升行動、國家重點研究開發專案的支持。相關研究成果已在Angewandte Chemie International Edition上發表。天津工業生物所博士研究生劉娜為論文的第一作者。
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β-胺基酸脫氫酶:晶體結構、催化機理指導的理性設計及合成應用