近期，我校生物工程学院张荣珍教授团队在L-苏氨酸转醛酶催化机理解析及高效合成β-羟基-α氨基酸方面取得重要进展，研究成果“Deciphering the Key Loop: Enhancing L‑Threonine Transaldolase’s Catalytic Potential”正式发表于ACS Catalysis (IF = 11.3) (DOI: 10.1021/acscatal.4c02049)。
光学纯的非天然氨基酸是许多精细化学品、药品、农用化学品和重要重要组分。其中β-羟基-α氨基酸(βHAAs)是构成了多种天然化合物的核心结构，也是合成关键生物活性农药和药物如氯霉素、氟苯尼考、万古霉素、环香素a等的中间体。L -苏氨酸转醛缩酶(LTTA)是合成β-羟基-α氨基酸(βHAAs)有吸引力的生物催化剂，但其酶活低且Cβ对映选择性差阻碍了它的应用前景。本研究基于L-苏氨酸转醛酶的结构信息，半理性设计LTTA活性中心Loop环区域，获得了催化效率显著提升的有益突变体，基于分子动力学模拟与元动力学模拟掲示了活性中心Loop环调控L-苏氨酸转醛酶的催化机理。同时引入副产物乙醛消除系统，最终在1000L发酵罐条件下实现了氟苯尼考中间体L-syn-对甲磺酰基苯丝氨酸（L-syn-MTPS）的高效合成。主要研究内容如下：
基于结构比对、计算分析、CAVER预测、通道分析及步进式删除技术，发现CsLTTA活性中心存在syn和anti两种通道，分别调控L-苏式与L-赤式构型产物，且Loop1是构成CsLTTA的syn通道关键区域。丙氨酸扫描突变结合位点饱和突变/迭代饱和突变策略，对关键位点进行改造，获得最优突变体TQT（F70T/C57Q/Y69T）合成L-syn-MTPS的de值为95.4%，催化效率kcat/Km提升4倍。分子模拟分析表明TQT突变导致活性口袋重塑，提升了L-苏式构型产物在活性口袋的适配度。其次，TQT活性中心新的氢键的形成提高了其催化能力。CAVER通道预测结合MetaD模拟表明CsLTTA突变体TQT活性中心形成一条新的syn通道，加速了L-苏式构型产物的释放。对CsLTTA同工酶ObiH进行同位突变，获得F70T/C57Q/H69T (ObiH- TQT)突变体，随后将突变体偶联乙醛消除系统，合成公斤级L-syn-MTPS，6 h内底物转化率为98.3%，产物de值为99.2%，时空产率高达12.7 g L−1 h−1，为目前最高报道水平。研究结果为调控L-苏氨酸转醛酶高效合成β-羟基-α-氨基酸提供了借鉴与指导。
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(2023YFA0914500)、国家自然科学基金项目(32271487)等资助。
近年来张荣珍教授团队以生物催化与酶工程理论为指导，在高值化学品中间体的合成体系构建及产业化方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Biotechnology Advances (2015)、Advanced Materials (2018)、ACS catalysis (2018、2024)、The EMBO Journal (2022)、Critical Reviews in Biotechnology (2023)、International Journal of Biological Macromolecules (2021、2024)等本领域权威期刊。
