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Rational improvement of simvastatin synthase solubility in Escherichia coli leads to higher whole‐cell biocatalytic activity

大肠杆菌 化学 溶解度 生物化学 生物催化 突变 辛伐他汀 突变体 有机化学 催化作用 生物 药理学 基因 离子液体
作者
Xinkai Xie,I. Pashkov,Xue Gao,Jennifer L. Guerrero,Todd O. Yeates,Yi Tang
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:102 (1): 20-28 被引量:33
标识
DOI:10.1002/bit.22028
摘要

Simvastatin is the active pharmaceutical ingredient of the blockbuster cholesterol lowering drug Zocor. We have previously developed an Escherichia coli based whole-cell biocatalytic platform towards the synthesis of simvastatin sodium salt (SS) starting from the precursor monacolin J sodium salt (MJSS). The centerpiece of the biocatalytic approach is the simvastatin synthase LovD, which is highly prone to misfolding and aggregation when overexpressed from E. coli. Increasing the solubility of LovD without decreasing its catalytic activity can therefore elevate the performance of the whole-cell biocatalyst. Using a combination of homology structural prediction and site-directed mutagenesis, we identified two cysteine residues in LovD that are responsible for nonspecific intermolecular crosslinking, which leads to oligomer formation and protein aggregation. Replacement of Cys40 and Cys60 with alanine residues resulted in marked gain in both protein solubility and whole-cell biocatalytic activities. Further mutagenesis experiments converting these two residues to small or polar natural amino acids showed that C40A and C60N are the most beneficial, affording 27% and 26% increase in whole cell activities, respectively. The double mutant C40A/C60N combines the individual improvements and displayed approximately 50% increase in protein solubility and whole-cell activity. Optimized fed-batch high-cell-density fermentation of the double mutant in an E. coli strain engineered for simvastatin production quantitatively (>99%) converted 45 mM MJSS to SS within 18 h, which represents a significant improvement over the performance of wild-type LovD under identical conditions. The high efficiency of the improved whole-cell platform renders the biocatalytic synthesis of SS an attractive substitute over the existing semisynthetic routes.

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