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Structure-guided engineering of branched-chain α-keto acid decarboxylase for improved 1,2,4-butanetriol production by in vitro synthetic enzymatic biosystem

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作者
Kemin Lv,Xuefei Cao,Marcelo Monteiro Pedroso,Bin Wu,Jiahuang Li,Bingfang He,Gerhard Schenk
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:255: 128303-128303 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.128303
摘要

Efficient synthetic routes for biomanufacturing chemicals often require the overcoming of pathway bottlenecks by tailoring enzymes to improve the catalytic efficiency or even implement non-native activities. 1,2,4-butanetriol (BTO), a valuable commodity chemical, is currently biosynthesized from D-xylose via a four-enzyme reaction cascade, with the ThDP-dependent α-keto acid decarboxylase (KdcA) identified as the potential bottleneck. Here, to further enhance the catalytic activity of KdcA toward the non-native substrate α-keto-3-deoxy-xylonate (KDX), in silico screening and structure-guided evolution were performed. The best mutants, S286L/G402P and V461K, exhibited a 1.8- and 2.5-fold higher enzymatic activity in the conversion of KDX to 3,4-dihydroxybutanal when compared to KdcA, respectively. MD simulations revealed that the two sets of mutations reshaped the substrate binding pocket, thereby increasing the binding affinity for KDX and promoting interactions between KDX and cofactor ThDP. Then, when the V461K mutant instead of wild type KdcA was integrated into the enzyme cascade, a 1.9-fold increase in BTO titer was observed. After optimization of the reaction conditions, the enzyme cocktail contained V461K converted 60 g/L D-xylose to 22.1 g/L BTO with a yield of 52.1 %. This work illustrated that protein engineering is a powerful tool for modifying the output of metabolic pathway.

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