通过底物构象工程重新调控杂合萜类合成酶的产物选择性和活性

《Nature Communications》：Reprogramming product selectivity and activity in promiscuous terpene synthases via substrate conformation engineering

　　

摘要

萜类化合物是一类结构多样、应用广泛的天然产物，但其生物合成过程常常受到萜烯合成酶（TPSs）较低催化效率和较差产物选择性的限制。同时提高产物特异性和催化性能仍然是TPS工程领域面临的重大难题。在本研究中，我们阐明了某真菌产生的香叶烯A合成酶的区域选择性和立体选择性——该酶能够催化法尼基二磷酸的1,10环化反应，生成一个关键的倍半萜中间体。位于底物结合位点附近的一个非催化残基（T169）的侧链体积会调节底物的结合构象，从而影响碳正离子的反应路径并改变产物的种类。基于这一机制进行的位点工程改造成功制备出了具有改变化学特异性的萜烯合成酶突变体。其中一种突变体在大肠杆菌中的(+)-香叶烯A产量提升了24.3倍，生物反应器中的产率达到了15.8克/升——据我们所知，这是在该宿主细胞中报道的最高产率。这些结果为通过底物构象调控来改变TPS催化特异性提供了分子机制上的见解，为开发高性能萜类生物催化剂开辟了新的策略。