Biosynthesizing structurally diverse diols via a general route combining oxidative and reductive formations of OH-groups

化学 二醇 氨基酸 催化作用 生物催化 氧化磷酸化 还原消去 有机化学 立体化学 生物化学 反应机理
作者
Yongfei Liu,Wei Wang,An‐Ping Zeng
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:10
标识
DOI:10.1038/s41467-022-29216-5
摘要

Diols encompass important bulk and fine chemicals for the chemical, pharmaceutical and cosmetic industries. During the past decades, biological production of C3-C5 diols from renewable feedstocks has received great interest. Here, we elaborate a general principle for effectively synthesizing structurally diverse diols by expanding amino acid metabolism. Specifically, we propose to combine oxidative and reductive formations of hydroxyl groups from amino acids in a thermodynamically favorable order of four reactions catalyzed by amino acid hydroxylase, L-amino acid deaminase, α-keto acid decarboxylase and aldehyde reductase consecutively. The oxidative formation of hydroxyl group from an alkyl group is energetically more attractive than the reductive pathway, which is exclusively used in the synthetic pathways of diols reported so far. We demonstrate this general route for microbial production of branched-chain diols in E. coli. Ten C3-C5 diols are synthesized. Six of them, namely isopentyldiol (IPDO), 2-methyl-1,3-butanediol (2-M-1,3-BDO), 2-methyl-1,4-butanediol (2-M-1,4-BDO), 2-methyl-1,3-propanediol (MPO), 2-ethyl-1,3-propanediol (2-E-1,3-PDO), 1,4-pentanediol (1,4-PTD), have not been biologically synthesized before. This work opens up opportunities for synthesizing structurally diverse diols and triols, especially by genome mining, rational design or directed evolution of proper enzymes.
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