Inside-Out Rational Design of Ornithine Cyclodeaminase RlOCD from Rhizobium leguminosarum by a Multiregion Synergy Strategy for Efficient Synthesis of l-Pipecolic Acid

哌啶酸 豆科根瘤菌 鸟氨酸 化学 生物化学 生物 细菌 氨基酸 遗传学 根瘤菌科 精氨酸 共生
作者
Weijie Gao,Zijian Jing,Yifang Meng,Qinghai Liu,Hualei Wang,Dongzhi Wei
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.4c06331
摘要

Lysine cyclodeaminase (LCD)-mediated synthesis of l-pipecolic acid (l-PA) from l-lysine (l-Lys) is a promising approach. However, only one LCD has been reported, and its inadequate activity limits industrial applications. To address this problem, a substrate analogue-guided enzyme mining strategy was employed. A novel ornithine cyclodeaminase (OCD) from Rhizobium leguminosarum (RlOCD) was identified in combination with directed macrogenomic approaches. RlOCD displayed a conversion rate of 28% at a substrate loading as high as 1000 mM. A multiregion synergy strategy consisting of pocket reshaping, dynamical cross-correlation matrix-guided coevolutionary design, and surface modification was used to design RlOCD from the inside-out. A quadruple mutant (V93C/L119C/I170T/R90L) designated Mu4 with significantly increased activity was obtained, which showed a 28.46-fold increase in the catalytic efficiency. The conversion of Mu4 was 91% within 10 h at 1000 mM (146.19 g L–1) loading. The space–time yield of 282.1 g L–1 d–1 is the highest level ever reported. Molecular dynamics simulations and interaction analyses revealed that efficient pocket expansion and unique conformational rearrangements increased the affinity for the substrate, resulting in a more catalytically active conformation. This study expands the toolbox for the production of l-PA and demonstrates the effectiveness and potential of Mu4 for its production.
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