近期，我校生物工程学院张荣珍教授团队在氯霉素中间体的高效制备方面取得重要进展，研究成果“Enhanced synthesis of chloramphenicol intermediate L-threo-p-nitrophenylserine using engineered L-threonine transaldolase and by-product elimination”正式发表于International Journal of Biological Macromolecules (IF = 8.2) (https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.130310)。
氯霉素是一种有效的广谱抗生素，用于治疗伤寒和副伤寒疾病。在工业生产中，氯霉素目前是通过9步化学工艺生产的，收率不到30%。近年来研究者越来越关注探索氯霉素的环保高效生物合成途径。氯霉素的关键中间体为L-苏-对硝基苯丝氨酸，是β-羟基-α-氨基酸一种，其侧链含有两个手性中心。而L-苏氨酸转醛酶（LTTA）以L-苏氨酸与苯甲醛衍生物为底物，通过醛醇缩合反应一步构建两个立体中心，生成具有两个手性的β-羟基-α-氨基酸。但是由于其活性低，Cβ立体选择性差以及副产物乙醛抑制等问题，导致β-羟基-α-氨基酸的产量提升受限。因此，对L-苏氨酸转醛酶的改造以及解除副产物抑制是实现β-羟基-α-氨基酸高效生产的必经之路。
张荣珍教授团队针对L-苏氨酸转醛酶催化效率偏低以及副产物抑制现象，提出了两个策略，首先是通过定向进化结合高通量筛选方法获得有效突变体，随后引入乙醛消除系统，多酶级联催化氯霉素中间体的高效合成。首先，作者基于ChLTTA的特征颜色与催化活性的关系，开发了一种新型可视化步进式高通量筛选方法，该方法通过目测初筛，OD515值扫描复筛，HPLC检测终筛，大大提高了突变体筛选效率，获得突变体F70D/F59A的催化效率比野生型ChLTTA提高了2.6倍，且氯霉素中间体的非对映体选择性 (de) 显著提高至91.5%。分子动力学模拟揭示了F70D/F59A突变体中催化性能增强源于活性中心新氢键的形成与扭曲通道的拉直。同时，将F70D/F59A突变体与酿酒酵母乙醇脱氢酶和博氏假丝酵母菌甲酸脱氢酶偶联，构建高效级联系统。在最适反应条件下，该级联系统催化合成氯霉素中间体产量为201.5 mM（合46.7 g/L），转化率为95.9%，de值为94.5%，是目前报道的生物合成氯霉素中间体的最高产量。
图形摘要
张荣珍教授为论文的通讯作者，我校2020级博士研究生席志文为第一作者。上述研究得到了国家重点研发计划项目(2018YFA0900302)、国家自然科学基金项目(32271487, 31970045)等资助。
近年来张荣珍教授团队理性设计生物酶为指导，高效催化合成高值化学品研究及产业化方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在The EMBO Journal (2022)、ACS catalysis (2018、2024)、Critical Reviews in Biotechnology (2023)、Advanced Materials (2018)、Green Chemistry (2015)、Biotechnology Advances (2015)、International Journal of Biological Macromolecules (2021、2024)等本领域权威期刊。
