Reshaping Phosphatase Substrate Preference for Controlled Biosynthesis Using a “Design–Build–Test–Learn” Framework

酶动力学 基质(水族馆) 合理设计 产量(工程) 突变体 蛋白质工程 立体化学 生物化学 化学 生化工程 活动站点 酶 生物 纳米技术 材料科学 工程类 生态学 基因 冶金
作者
Jiangong Lu,Xueqin Lv,Wenwen Yu,Jianing Zhang,Jianxing Lu,Yanfeng Liu,Jianghua Li,Guocheng Du,Jian Chen,Long Liu
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (22): e2309852-e2309852 被引量:23
标识
DOI:10.1002/advs.202309852
摘要

Biosynthesis is the application of enzymes in microbial cell factories and has emerged as a promising alternative to chemical synthesis. However, natural enzymes with limited catalytic performance often need to be engineered to meet specific needs through a time-consuming trial-and-error process. This study presents a quantum mechanics (QM)-incorporated design-build-test-learn (DBTL) framework to rationally design phosphatase BT4131, an enzyme with an ambiguous substrate spectrum involved in N-acetylglucosamine (GlcNAc) biosynthesis. First, mutant M1 (L129Q) is designed using force field-based methods, resulting in a 1.4-fold increase in substrate preference (kcat/Km) toward GlcNAc-6-phosphate (GlcNAc6P). QM calculations indicate that the shift in substrate preference is caused by a 13.59 kcal mol-1 reduction in activation energy. Furthermore, an iterative computer-aided design is conducted to stabilize the transition state. As a result, mutant M4 (I49Q/L129Q/G172L) with a 9.5-fold increase in kcat-GlcNAc6P/Km-GlcNAc6P and a 59% decrease in kcat-Glc6P/Km-Glc6P is highly desirable compared to the wild type in the GlcNAc-producing chassis. The GlcNAc titer increases to 217.3 g L-1 with a yield of 0.597 g (g glucose)-1 in a 50-L bioreactor, representing the highest reported level. Collectively, this DBTL framework provides an easy yet fascinating approach to the rational design of enzymes for industrially viable biocatalysts.
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