计算技术推动微生物转氨元件发掘与氨基酸高效利用

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

近年来，合成生物学的快速发展使微生物发酵生产天然氨基酸的成本持续降低，氨基酸产业取得了巨大发展，2017年全球氨基酸产量约为850万吨，预计到2022年将突破1100万吨。然而，我国作为氨基酸生产和消费大国，大宗型氨基酸产品已经进入供过于求的状态。因此，发展使用生物基L-氨基酸作为初始原料生产高附加值产品的新型生物技术，对国家的可持续性发展与产业升级具有重要的经济意义和社会价值。

酮酸作为L-氨基酸合成的直接前体物质，在人体和动物的新陈代谢中起着重要的作用，被广泛应用于医药（复方酮酸片用于治疗慢性肝肾功能衰竭）、食品（功能饮料）、农业和养殖业等多个领域。但目前酮酸的化学合成需要使用昂贵的催化剂或特殊的起始化合物，从而存在高生产成本和环境不友好等诸多缺点。因此，使用生物基L-氨基酸转化生产酮酸在可持续性与经济性方面具有突出优势。

近日，中国科学院微生物研究所的吴边（点击查看介绍）团队开发了一种基于转氨酶的多酶级联系统，能够直接将L-氨基酸氧化为对应的酮酸。该级联反应具有如下优势：使用廉价且可再生的底物，通过酶介导的氧气引入，将转氨酶的不利化学平衡转移到产物的合成方向，具备优秀的原子经济性。由于转氨酶一般只接受一组相似氨基酸作为底物，这种底物选择的严谨性阻碍了该技术的广泛应用。为了解决上述问题，该团队从生物信息大数据出发，通过一系列生物信息学与计算生物学结合的方法，寻找兼容上述级联反应的新型转氨元件以扩大其应用范围。通过对序列和结构的组合分析，研究团队建立了针对不同家族的转氨元件高效快速的计算筛选方法，将未知序列展开到二维平面上，通过对序列所在位置的分布进行计算筛选，从数据库中的一万余个转氨元件中选取了27个候选序列进行测试。最终建立了一个由6个具有互补的底物选择性的转氨元件构成的酶工具箱，实现了对天然L-氨基酸的全覆盖。

图1. 通过计算技术挖掘微生物转氨元件

在催化剂量的谷氨酸的辅助下，该酶级联反应平台可以将绝大多数的L-氨基酸高效地转化为相应的酮酸（转化率>99％）。除此之外，该级联反应还具有很高的兼容性与延展性。该团队将酮酸合成的酶促级联反应与D-氨基酸和N-取代氨基酸的酶促反应进行偶联，进一步实现了从L-氨基酸作为出发底物，一锅法合成高附加值手性D-氨基酸和N-取代氨基酸。

图2. 使用微生物酶级联反应高效转化天然氨基酸为高值化合物。

该项研究打通了L-氨基酸到酮酸及相关高价值衍生物的绿色合成途径，加深了对于转氨酶底物选择性机制的理解，也为利用计算技术挖掘微生物资源宝库提供了新的借鉴。近期这一成果发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者是微生物研究所博士研究生李涛，吴边教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Exploration of transaminase diversity for the oxidative conversion of natural amino acids into 2-ketoacids and high-value chemicals

Tao Li, Xuexian Cui, Yinglu Cui, Jinyuan Sun, Yanchun Chen, Tong Zhu, Chuijian Li, Ruifeng Li, and Bian Wu

ACS Catal., 2020, DOI: 10.1021/acscatal.0c01895

吴边博士简介

吴边，中国科学院微生物研究所研究员，博士生导师，国家重点实验室副主任，国家重点研发计划合成生物学项目首席，国家优秀青年基金获得者。主要工作致力于微生物催化相关的元件挖掘、机理解析、酶工程改造、合成设计等工作；解析了酶催化碳-氮成键反应的详细机理，并通过人工改造将其应用于生物大分子与生物小分子的精准合成与定向修饰。尤其是近年来，将蛋白质计算机设计的前沿方法引入酶工程的研究中，促进了复杂大分子结构设计的发展。在Nat Chem Biol、Adv. Sci.、Angew Chem、ACS Catal.等国际主流学术刊物上发表论文数十篇。在此基础上构建出一系列化学品的生物合成途径，已有多肽药物酶法拼装、β-氨基酸生物合成、氮杂环类药物中间体顺次发酵等多项技术成功实现产业化应用。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26758

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究兴趣主要集中在微生物催化的碳-氮成键反应的机理研究与应用。近年来在非天然氨基酸的碳-氮成键反应中取得了不错的进展。当我们把注意力转移到天然氨基酸后发现了如上所述的问题，即天然氨基酸产能过剩，价格低廉，而氨基酸对应的酮酸以及后续衍生物则具有更高的经济价值。基于此我们产生了本研究的最初想法，也希望能够为氨基酸发酵企业的产品转型升级提供一些帮助。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究最大的挑战是如何高效的，简易的实现天然氨基酸的C-N键断裂，进而生成对应的酮酸。那么首先面临的问题就是酶的选择以及酶促反应设计。在我们综合对比了所有的可能催化上述反应的酶类后，立足于最终应用的可行性，选择了转氨酶并设计了对应的级联反应。虽然近年来科学界对于转氨酶的基因数据积累已经非常充分，但这个微生物资源宝库的应用潜力还远远未被开采。因此如何从庞大的数据中发掘出我们想要的功能元件成为了新的挑战。在此过程中，团队前期对碳-氮键相关酶的催化机理，构效关系，序列特征等方面的知识储备和经验积攒为我们解决以上挑战提供了很大帮助。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们设计的转氨酶级联反应具有很好的通用性与延展性，这将作为一个广阔的平台去合成各种高价值的酮酸和酮酸后续衍生物。这将为这类化合物的生产合成提供新的方向。此外，我们发掘转氨酶的方法和获得的新颖特性的酶，将深化我们对转氨酶底物选择性的理解和促进该酶催化机理的深入解析。