ω-转氨酶ArATA分子改造及合成手性萘乙胺的研究

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(R)-1-(1-萘基)乙胺是合成拟钙剂药物盐酸西那卡塞的关键手性中间体,生物合成(R)-1-(1-萘基)乙胺的方法更加绿色环保,因而受到越来越多的关注。其中,ω-转氨酶(ω-transaminase)不对称还原前手性酮制备手性胺具有很多优势。本研究发现节杆菌属(Arthrobacter sp.KNK168)来源的ω-转氨酶ArATA可以不对称还原1-萘乙酮合成(R)-1-(1-萘基)乙胺,且具有良好的立体选择性(99%,R),但其催化活力较低,难以实现工业化应用。因此,通过分子改造提高ArATA对1-萘乙酮的催化活力,主要研究内容和结果如下:采用随机突变和半理性设计相结合的策略。一方面,通过易错PCR构建随机突变文库,同时建立适用于1-萘乙酮为底物的ω-转氨酶高通量筛选方法,筛选到活力提升的突变体F225M、G136I、C281I和T282S;另一方面,根据晶体结构(PDB:3WWI)进行底物对接分析,通过对底物结合口袋中16个位点进行保守性分析,发现V69、W156、W192、G224和A284高度保守。对剩余11个位点进行丙氨酸扫描并对G136、V199和S223点进行定点饱和突变,得到了活力提高的突变体G136I、V199W和S223P。将活力提高的以上6个突变位点进行组合突变,获得了三个优良突变体V199W/S223P、G136I/V199W/S223P和F225M/C281I。通过动力学参数测定,发现V199W/S223P、G136I/V199W/S223P和F225M/C281I的kcat/Km分别为WT的9.9、9.3和4.4倍。G136I/V199W/S223P的热稳定性提高,半衰期提高了9%。底物谱测定发现V199W/S223P对所选酮底物活力均提高。将突变体应用于催化20 mM 1-萘乙酮还原胺化合成光学纯(R)-1-(1-萘基)乙胺,反应24小时后,V199W/S223P、G136I/V199W/S223P和F225M/C281I实现了转化率81.78±0.14%、73.45±0.82%和70.74±3.30%,较ArATA WT分别提高了29.34%、16.17%和11.87%。基于分子对接和分子动力学模拟分析,V199W/S223P、G136I/V199W/S223P和F225M/C281I的催化效率提高,可归因于活性中心口袋残基与底物1-萘乙酮的Pi-Pi T形相互作用的增强,以及与底物之间有相互作用的氨基酸残基数量的增加。通过分子动力学模拟计算验证了G136I/V199W/S223P热稳定性的提高可归因于Ile136引起Loop130~139的RMSF值的下降。此外,预反应状态分子动力学模拟显示V199W/S223P比WT更有利于反应的进行。上述结果表明,ArATA是一个具有应用开发潜力的生物催化剂,通过对其进行分子改造获得的突变体具有潜在的催化还原胺化1-萘乙酮制备光学纯(R)-1-(1-萘基)乙胺的应用潜力。
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