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Development of growth selection system and pocket engineering of d‐amino acid oxidase to enhance selective deamination activity toward d‐phosphinothricin

脱氨基 生物化学 氧化脱氨基 选择(遗传算法) 氧化酶试验 化学 氨基酸 计算机科学 人工智能
作者
Feng Cheng,Ke‐Xiang Sun,Xiao‐Xiao Gong,Wei Peng,Hua‐Yue Zhang,Xi‐Hang Liang,Ya‐Ping Xue,Yu‐Guo Zheng
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:121 (9): 2893-2906 被引量:1
标识
DOI:10.1002/bit.28763
摘要

D-amino acid oxidase (DAAO)-catalyzed selective oxidative deamination is a very promising process for synthesizing l-amino acids including l-phosphinothricin (l-PPT, a high-efficiency and broad-spectrum herbicide). However, the wild-type DAAO's low activity toward unnatural substrates like d-phosphinothricin (d-PPT) hampers its application. Herein, a DAAO from Caenorhabditis elegans (CeDAAO) was screened and engineered to improve the catalytic potential on d-PPT. First, we designed a novel growth selection system, taking into account the intricate relationship between the growth of Escherichia coli (E. coli) and the catalytic mechanism of DAAO. The developed system was used for high-throughput screening of gene libraries, resulting in the discovery of a variant (M6) with significantly increased catalytic activity against d-PPT. The variant displays different catalytic properties on substrates with varying hydrophobicity and hydrophilicity. Analysis using Alphafold2 modeling and molecular dynamic simulations showed that the reason for the enhanced activity was the substrate-binding pocket with enlarged size and suitable charge distribution. Further QM/MM calculations revealed that the crucial factor for enhancing activity lies in reducing the initial energy barrier of the reductive half reaction. Finally, a comprehensive binding-model index to predict the enhanced activity of DAAO toward d-PPT, and an enzymatic deracemization approach was developed, enabling the efficient synthesis of l-PPT with remarkable efficiency.
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