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Engineering the Substrate Specificity of Toluene Degrading Enzyme XylM Using Biosensor XylS and Machine Learning

恶臭假单胞菌 基质(水族馆) 化学 生物化学 苯甲酸 生物传感器 组合化学 色谱法 生物 生态学
作者
Yuki Ogawa,Yutaka Saitô,Hideki Yamaguchi,Yohei Katsuyama,Yasuo Ohnishi
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:12 (2): 572-582 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00577
摘要

Enzyme engineering using machine learning has been developed in recent years. However, to obtain a large amount of data on enzyme activities for training data, it is necessary to develop a high-throughput and accurate method for evaluating enzyme activities. Here, we examined whether a biosensor-based enzyme engineering method can be applied to machine learning. As a model experiment, we aimed to modify the substrate specificity of XylM, a rate-determining enzyme in a multistep oxidation reaction catalyzed by XylMABC in Pseudomonas putida. XylMABC naturally converts toluene and xylene to benzoic acid and toluic acid, respectively. We aimed to engineer XylM to improve its conversion efficiency to a non-native substrate, 2,6-xylenol. Wild-type XylMABC slightly converted 2,6-xylenol to 3-methylsalicylic acid, which is the ligand of the transcriptional regulator XylS in P. putida. By locating a fluorescent protein gene under the control of the Pm promoter to which XylS binds, a XylS-producing Escherichia coli strain showed higher fluorescence intensity in a 3-methylsalicylic acid concentration-dependent manner. We evaluated the 3-methylsalicylic acid productivity of XylM variants using the fluorescence intensity of the sensor strain as an indicator. The obtained data provided the training data for machine learning for the directed evolution of XylM. Two cycles of machine learning-assisted directed evolution resulted in the acquisition of XylM-D140E-V144K-F243L-N244S with 15 times higher productivity than wild-type XylM. These results demonstrate that an indirect enzyme activity evaluation method using biosensors is sufficiently quantitative and high-throughput to be used as training data for machine learning. The findings expand the versatility of machine learning in enzyme engineering.
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