L-草铵膦生物合成的研究进展及工业生产的挑战

L-草铵膦生物合成的研究进展及工业生产的挑战

草铵膦（PPT）是一种广谱除草剂，其中以L-草铵膦（L-PPT；精制草铵膦）具有主导除草活性，为了有效生物合成L-PPT，所用的生物催化剂必须具有高的选择性、底物耐受性和热稳定性。转氨酶（TAs）是参与L-PPT生物合成的一类重要酶，TAs分为PLP折叠I型和IV型。但有些用于L-PPT不对称合成的TAs平衡常数较低，导致热力学平衡不利，通过多酶级联反应去除副产物可以有效改变转氨反应，使反应平衡，但目前尚无很好的生物催化剂用于工业化生产L-PPT，常利用基因挖掘、蛋白质工程等方法获得新型生物催化剂。收集和鉴定从极端环境中分离的微生物是发现能够耐受工业生产的生物催化剂的关键。有条件生物催化的有效策略。

图1 L-PPT生物合成的多酶级联系统

2024年1月30日，浙江工业大学生物工程学院院长、国家化学原料药合成工程技术研究中心副主任郑玉国团队在期刊上发表了题为《of a novel and its in》的研究论文。该研究中，研究人员通过序列挖掘和结构功能分析，从耐热假单胞菌中获得了高活性、稳定的耐热TA（PtTA）。为了发掘其实际应用的潜力，以PPO和D,L-PPT为起始底物，开发了两个级联系统（图1）。利用PtTA驱动的级联系统，在L-PPT的生物合成中具有优异的催化性能，克服了热力学的限制，在L-PPT生物合成中有着广阔的应用前景。

图2 PtTA与关键活性中心残基的同源性建模

本研究发现了一类新型耐热转氨酶PtTA，该酶具有良好的活性、稳定性和底物耐受性，并鉴定了PtTA的关键活性中心残基，在此基础上探索了两种PTTA和PPO驱动的多酶级联体系在L-PPT生产中的应用。利用PtTA、EsGDH和PtTA不对称合成L-PPT，构建了体内三酶级联重组大肠杆菌，实现了400 mM PPO的完全转化。此外，构建了两种转氨酶的级联反应，采用一锅法对D,L-PPT进行去消旋化，在最高底物浓度下产率达到90.43%。这些优异的催化性能表明，转氨酶驱动的级联体系在克服热力学限制高效合成L-PPT方面表现出了极大的效率，在L-PPT生物合成中具有广阔的应用前景。