亮氨酸脱氢酶催化合成(S)-2-氨基-1-丁醇的新反应设计与催化机制研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31870779
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0505.蛋白质、多肽与酶生物化学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

(S)-2-amnio-1-butanol, an important intermediate in the synthesis of antituberculous drug Ethambutol, is mainly synthesized by chemical or enzymatic resolution with limited applications due to environmental concerns or low conversion (max 50%). Toward green and efficient synthesis of (S)-2-amnio-1-butanol by new enzyme and reaction design and perform catalytic mechanism studies offer significantly to basic and application research. We have obtained a few mutants of leucine dehydrogenase which could catalyze the key intermediate 2-keto-1-butanol to (S)-2-amnio-1-butanol, but with lower catalytic efficiency as well as the unclearly catalytic mechanism. The new developed directed evolution strategy “Triple Code Saturation Mutagenesis (TCSM)” will be used for redesign and directed engineering the catalytic pocket of leucine dehydrogenase to improve and optimize the catalytic efficiency and stereoselectivity to 2-keto-1-butanol. Unveiling the catalytic mechanism of substrate specificity and chiral catalytic regulation related to substrate binding pocket reshaping of key mutants based on X-ray crystal structures resolution and molecular dynamic (MD) simulations in combination with quantum chemistry (QM) calculations, offering design principle and application guide to new enzyme and new reaction design.
(S)-2-氨基-1-丁醇是重要医药中间体,主要用来合成抗结核药盐酸乙胺丁醇。目前主要通过化学法和酶法拆分获得,但化学法污染大,路线长效率低;拆分法转化率受限于50%。因此,通过新酶新反应设计实现(S)-2-氨基丁醇的绿色高效合成并开展催化机制研究具有重要的科学研究与应用价值。申请人前期已经获得了可催化前体2-酮-1-丁醇为(S)-2-氨基丁醇的亮氨酸脱氢酶突变体,但其催化效率较低,而且催化机制尚不清楚。本项目拟采用三密码子饱和突变(TCSM)等技术方法对亮氨酸脱氢酶LeuDH的催化口袋进行再设计与定向改造,提高其对2-酮-1-丁醇的催化效率与立体选择性。并基于晶体结构解析、分子动力学模拟和量子化学计算等技术手段,解析关键突变体的底物选择与手性调控催化机制,揭示该酶底物催化结合口袋重塑设计与底物催化特异性及手性催化之间的适配规律,为同类型新酶与新反应设计提供理论和实践指导。

结项摘要

手性胺醇是一类重要的医药中间体砌块,例如(S)-2-氨基-1-丁醇是重要医药中间体,主要用来合成抗结核药盐酸乙胺丁醇。目前主要通过化学法和酶法拆分获得,但化学法污染大,路线长效率低;拆分法转化率受限于50%。因此,通过新酶新反应设计实现(S)-2-氨基丁醇的绿色高效合成并开展催化机制研究具有重要的科学研究与应用价值。项目资助期间,申请人构建了基于荧光分子探针的高通量筛选酮醇类化合物的检测方法,并将其应用于工程化胺脱氢酶的筛选,成功获得多种对2-氨基丁酮底物有活性目的基因。再此基础上,采用三密码子饱和突变(TCSM)等技术方法对工程化胺脱氢酶的催化口袋进行再设计与定向改造,进一步提高催化效率(转化率>99%, (S)-选择性ee值>99%)。最后通过计算模拟技术,解析关键突变体的底物选择与手性调控催化机制,揭示该酶底物催化结合口袋重塑设计与底物催化特异性及手性催化之间的适配规律,为同类型新酶与新反应设计提供理论和实践指导。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Biosynthesis of Chiral Amino Alcohols via an Engineered Amine Dehydrogenase in E. coli.
通过大肠杆菌中的工程胺脱氢酶生物合成手性氨基醇
  • DOI:
    10.3389/fbioe.2021.778584
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Frontiers in bioengineering and biotechnology
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Tong F;Qin Z;Wang H;Jiang Y;Li J;Ming H;Qu G;Xiao Y;Sun Z
  • 通讯作者:
    Sun Z
Engineering the activity of Amine Dehydrogenase in the Asymmetric Reductive Amination of Hydroxyl Ketones
设计胺脱氢酶在羟基酮不对称还原胺化中的活性
  • DOI:
    10.1039/d2cy00391k
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Catalysis Science & Technology
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Hui Ming;Bo Yuan;Ge Qu;Zhoutong Sun
  • 通讯作者:
    Zhoutong Sun
2018诺贝尔化学奖:酶定向进化与噬菌体展示技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    生物学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    曲戈;张锟;蒋迎迎;孙周通
  • 通讯作者:
    孙周通
Data mining of amine dehydrogenases for the synthesis of enantiopure amino alcohols
用于合成对映体纯氨基醇的胺脱氢酶的数据挖掘
  • DOI:
    10.1039/d0cy01373k
  • 发表时间:
    2020-09-07
  • 期刊:
    CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Wang, Hongyue;Qu, Ge;Sun, Zhoutong
  • 通讯作者:
    Sun, Zhoutong
机器学习助力酶定向进化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    生物学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    蒋迎迎;曲戈;孙周通
  • 通讯作者:
    孙周通

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    青年科学基金项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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