2020, Vol. 47扩展功能
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- 程新宽, 殷利眷, 任思羽, 彭磊, 姚远, 马龙
- CHENG Xin-Kuan, YIN Li-Juan, REN Si-Yu, PENG Lei, YAO Yuan, MA Long
- 内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶不对称合成非天然手性D-氨基酸的研究进展
- Meso-diaminopimelate dehydrogenase for asymmetric synthesis of unnatural chiral D-amino acids: a review
- 微生物学通报, 2020, 47(7): 2207-2217
- Microbiology China, 2020, 47(7): 2207-2217
- DOI: 10.13344/j.microbiol.china.200160
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- 收稿日期: 2020-02-28
- 网络首发日期: 2020-06-04
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D-氨基酸由于其在药物中间体、功能食品、调味料、化妆品和精细化学品等工业生产中的关键作用而受到越来越多的关注[ 1- 4]。目前D-氨基酸的主要应用包括：D-苯丙氨酸作为抗糖尿病药物那格列奈的重要手性合成原料[ 5]；D-对羟基苯甘氨酸是青霉素、头孢、阿莫西林等半合成抗生素的重要前体[ 6- 7]；D-苯甘氨酸也是半合成类抗生素和放线菌肽类抗生素(链霉菌素和万古霉素)的重要前体[ 8- 10]；D-色氨酸是治疗勃起功能障碍药物他达拉非的关键中间体[ 11- 12]；D-丙氨酸是二肽类甜味剂阿力甜的重要组成成分[ 13]；D-叔亮氨酸可用于合成抗病毒、抗肿瘤及抗炎症等药物[ 14]；D-天冬氨酸的抗氧化和促进胶原蛋白生成作用、D-谷氨酸修复皮肤疤痕的作用、D-丝氨酸减少紫外线对皮肤的伤害作用，均让他们成为水包油类乳液化妆品中的重要功能成分[ 15]。D-氨基酸的合成方法主要有化学法和生物法(包括酶催化法和发酵法)。合成方法中最具有开发潜力和优势的就是生物酶催化法，这不仅因为生物酶催化法拥有绿色节能环保、反应条件温和等特点，还因为其催化产物选择性高、操作简便、无需调控复杂代谢网络的优势。
在生物酶法合成手性氨基酸的发展史上，以L-氨基酸的发展最为成熟。截至目前，已经有多种NAD(P)+依赖型的L-氨基酸脱氢酶被发现，其可以有效地被用于L-氨基酸及其类似物的生物催化合成，并成功应用于工业化生产当中[ 16- 19]。相比之下，由于自然界中尚未发现同样高效的D-氨基酸脱氢酶，因此，与之类似的生物技术还无法利用D-氨基酸脱氢酶来实现。正是由于自然界中D-氨基酸脱氢酶的稀有性，并且已经发现的D-氨基酸脱氢酶大部分属于难以纯化的膜蛋白[ 20- 21]，加之其只能催化D-氨基酸氧化脱氨生成对应的α-酮酸而无法催化对应的α-酮酸还原胺化生成对应的D-氨基酸[ 22]，因此，对于酶法合成D-氨基酸寻找其他类型的酶成为了一种更有效的途径。这些酶主要包括：D-海因酶、氧化还原酶、D-氨基转移酶、青霉素G酰化酶、腈水解酶、氨基酸消旋酶、D-氨基转氨酶、L-氨基酸氧化酶、N-乙酰-D-氨基酸水解酶等等[ 4, 23- 26]。但这些酶或多或少均存在选择性差、活性低、需要化学试剂参与、底物昂贵、存在副产物、转化率和产率低等不足。相比较而言，内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶(DAPDH；EC 1.4.1.16)具有明显优势，因为其能够可逆并且选择性地催化天然底物内消旋-二氨基庚二酸的D-型中心氧化脱氨，生成对应的L-2-氨基-6-氧代庚二酸( 图 1)[ 27]。这就为D-氨基酸的酶法合成建立了良好的基础。
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| 图 1 内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶催化天然底物内消旋-二氨基庚二酸的反应 Figure 1 The catalytic reaction of meso-diaminopimelate dehydrogenase against natural substance meso-diaminopimelate |
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DAPDH是一类NADP+依赖型的氧化还原酶，主要存在于生物体内的赖氨酸合成途径中，广泛分布于谷氨酸棒杆菌、球形芽孢杆菌、短杆菌属、肠杆菌属、植物大豆、分枝杆菌等生物体内[ 28- 31]。目前已报道的DAPDH，根据遗传进化关系以及结构与功能的解析，可以分为两个亚类：I类DAPDH对其天然底物内消旋-二氨基庚二酸(meso-DAP)表现出更明显的底物偏好性，II类DAPDH具有更广泛的底物谱，除了天然底物外，还对部分2-酮酸表现出天然的还原胺化活力( 图 2)[ 32]。尽管如此，科研界对DAPDH及其作为生物催化剂合成D-氨基酸的研究仍然不足，这严重限制了D-氨基酸的生物酶催化法的发展。因此，本综述从酶的挖掘、性质研究、结构解析和分子改造等方面，系统地介绍了DAPDH用于D-氨基酸酶法合成的发展史，以期为D-氨基酸的酶法合成领域提供信息参考，推进D-氨基酸酶法合成的工业化进程。
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| 图 2 DAPDH家族的遗传进化图谱 Figure 2 Phylogenetic tree analysis of DAPDH family 注：CbDAPDH来源于Clostridium bolteae 90A9，CtDAPDH来源于Clostridium tetani E88，PasDAPDH来源于Porphyromonas asaccharolytica DSM 20707，BfaDAPDH来源于Bacteroides faecis MAJ27，PgiDAPDH来源于Porphyromonas gingivalis W83，BsDAPDH来源于Bacillus sphaericus，CgDAPDH来源于Corynebacterium glutamicum，UtDAPDH来源于Ureibacillus thermosphaericus，StDAPDH来源于Symbiobacterium thermophilum. Note: Clostridium bolteae 90A9 (CbDAPDH), Clostridium tetani E88 (CtDAPDH), Porphyromonas asaccharolytica DSM 20707 (PasDAPDH), Bacteroides faecis MAJ27 (BfaDAPDH), Porphyromonas gingivalis W83 (PgiDAPDH), Bacillus sphaericus (BsDAPDH), Corynebacterium glutamicum (CgDAPDH), Ureibacillus thermosphaericus (UtDAPDH), Symbiobacterium thermophilum (StDAPDH). |
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1976年，内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶第一次在Bacillus sphaericus中[ 33]被挖掘确认。随后30年的研究主要围绕DAPDH其他来源新酶的发现、酶学性质的研究、晶体结构的解析等方面进行[ 34- 37]，尽管DAPDH本身的催化特点已被科研工作者所熟知，但当时该酶的研究还未深入到D-氨基酸的合成。直到2006年，来自美国的科研工作者[ 38]将C. glutamicum来源的DAPDH基因利用定向进化技术，通过两轮易错PCR和活性中心的定点饱和突变，获得一株CgDAPDH的突变体BC621 (Gln151Leu、Asp155Gly、Thr170Ile、Arg196Met、His245Asn)，其表达产物成为了第一个广底物谱、高立体选择性合成D-氨基酸的催化剂，对环己基丙酮酸的活性最高，是野生型的625倍；这是首次将DAPDH改造为D-氨基酸脱氢酶的案例，该酶可以高效地催化α-酮酸和氨进行还原胺化，生成对应的D-氨基酸( 图 3)。
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| 图 3 α-酮酸和氨被DAPDH催化生成D-氨基酸 Figure 3 α-keto acid and ammonia are catalyzed by DADPH to generate D-amino acid |
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随后，来自英国曼彻斯特大学的Nicholas J. Turner团队充分挖掘了CgDAPDH合成D-氨基酸的潜力：他们从4-溴肉桂酸和4-溴苯基丙酮酸出发，分别使用苯丙氨酸氨裂合酶和CgDAPDH/BC621催化反应，获得了4-溴苯丙氨酸的L和D两个对映异构体后，再与一组芳基硼酸偶联，获得对应的非天然L和D联芳基丙氨酸[ 39]。然而这种方法的缺陷是苯丙氨酸氨裂合酶的产率很低，进而影响CgDAPDH催化合成D-氨基酸的效率，并且需要化学还原剂的参与。因此，Nicholas J. Turner团队对该催化路线进行了改进，用CgDAPDH和葡萄糖脱氢酶偶联并构建成细胞工厂，该细胞工厂可以催化芳香族α-酮酸转化为对应的D-氨基酸，成功实现了对不同取代侧链D-芳基丙氨酸的高效合成(ee≥98%，产量可以达到200 mg)[ 40]。尽管后续Nicholas J. Turner团队又尝试偶联L-氨基酸转氨酶和D-氨基酸转氨酶催化L-苯丙氨酸/DL-苯丙氨酸来合成D-苯丙氨酸及其衍生物[ 5]，但是D-氨基酸转氨酶具有需要昂贵的氨基供体以及会产生多余的副产物等缺陷，导致这种反应的催化效率明显低于CgDAPDH主导型。因此，这也间接凸显了DAPDH在酶法合成D-氨基酸方面的优势。不过，尽管CgDAPDH是第一个人造D-氨基酸脱氢酶，但其并不完美，尤其在热稳定性和催化活力方面，这也促进了其他来源DAPDH的挖掘和研究。
2 Ureibacillus thermosphaericus来源的DAPDH受CgDAPDH研究的启发，2011年来自日本的研究团队从不同的样品中尝试筛选新型的DAPDH，最终从日本堆肥中分离出U. thermosphaericus菌株A1，并从中确认了第一个新型耐热菌来源的UtDAPDH[ 41]，为生物酶法一步合成D-氨基酸提供了基础平台。随后该团队以此平台为基础，参考2006年美国科研团队将CgDAPDH改造为D-氨基酸脱氢酶的位点，在UtDAPDH中依次进行相同保守位点和相同氨基酸的突变改造(Gln154Leu、Asp158Gly、Thr173Ile、Arg199Met、His249Asn)，并成功将UtDAPDH改造为具有热稳定性(最高耐热温度为65 ℃)的NADP+依赖型D-氨基酸脱氢酶[ 42]，改造后的酶成功实现了D-异亮氨酸、D-2-氨基辛酸、D-赖氨酸等D-氨基酸的氧化脱氨和2-氧代辛酸、2-氧代己酸等α-酮酸的还原胺化生成对应D-氨基酸的反应，但其无论是催化活力还是可催化底物的范围均有限。因此，为了进一步合成不同构型的D-氨基酸，该团队又借助UtDAPDH偶联葡萄糖脱氢酶(用于辅酶再生)用于支链D-氨基酸的合成，并首次成功实现了酶法合成稳定同位素标记的D-支链氨基酸(D-[1-13C，15N]亮氨酸、D-[1-13C]亮氨酸、D-[15N]亮氨酸、D-[15N]异亮氨酸和D-[15N]缬氨酸)[ 43]。这为D-氨基酸及其衍生物的多种示踪研究提供了借鉴基础。同时，为了方便D-氨基酸的检测分析，研究者以D-异亮氨酸为先例，在UtDAPDH催化D-氨基酸反应时，辅酶由NADP+转化为NADPH，而后者可以被化学试剂转化为水溶性的四氮唑-3，这样就可以通过吸光值检测D-异亮氨酸[ 44]。此检测方法的建立可以大大加快D-氨基酸的检测速度，并且避免了气相色谱和高效液相色谱等昂贵仪器的使用。
2015年UtDAPDH的蛋白质晶体结构得到成功解析[ 45]，为UtDAPDH的蛋白质工程改造打下了良好基础。日本的研究团队借助解析的蛋白质晶体结构为依托，通过对结构信息的分析，利用半理性设计和定向进化手段，获得了C端去除His标签的UtDAPDH，这种没有C端His标签的酶无论是在还原胺化还是在氧化脱氨方向都表现出极高的酶催化活力，并首次在DAPDH家族中发现C端His标签阻碍酶催化活力的现象；随后又在此基础上获得了D94A的突变体，对大位阻底物苯丙酮酸(对应D-苯丙氨酸)，突变体的比活力提高了8倍，达到了16 U/mg，对2-氧代辛酸和2-氧代己酸两个直链α-酮酸底物的催化活力也分别提高了4.9倍和3.8倍，而后的晶体结构解析表明，底物口袋的扩大和增加底物结合口袋的疏水性是突变体酶活提高的原因[ 46]。这些研究均为分析DAPDH家族在催化过程中结构与功能之间的关系提供了借鉴，也将DAPDH进化为更加高效的人造D-氨基酸脱氢酶又推进了一步。
3 Symbiobacterium thermophilum来源的DAPDH在国外同行开展研究的同时，国内的科研工作者也对D-氨基酸的酶法合成进行了探索并取得了一定的成绩。首先是来自中国科学院天津工业生物技术研究所的朱敦明和吴洽庆研究团队，于2012年利用基因挖矿手段[ 47- 49]发现了一种新型的来自S. thermophilum的DAPDH (StDAPDH)，将其克隆表达后，对纯化的酶进行性质研究并应用于合成D-氨基酸。这是目前发现的第一个具有催化D-氨基酸活性的天然DAPDH (I类)，尤其能够还原胺化丙酮酸生成D-丙氨酸(转化率 > 99%，ee > 99%)，也是截至目前发现的热稳定性最好的DAPDH (70 ℃孵育1 h依然保持94%的酶活力)[ 50]。随后，为了增大StDAPDH的底物结合口袋，使其可以容纳较大的底物苯丙酮酸，研究者将CgDAPDH和StDAPDH的氨基酸序列进行同源比对，因为前者拥有晶体结构，由此推算出StDAPDH中天然底物Meso-DAP的L中心周围的氨基酸(Phe146、Thr171、Arg181、His227)，并对这些氨基酸进行定点饱和突变，最终获得突变体H227V，其相比野生型对苯丙酮酸的比活力提高了35.1倍[ 51]。
尽管经过蛋白质工程改造以后，StDAPDH催化合成D-氨基酸的效率极大提高，但是没有晶体结构作为指导，无疑为StDAPDH进一步的改造工作增加了很大的不确定性和难度。于是，在2014年，有研究者解析了来源于S. thermophilum的DAPDH的晶体结构[ 52]，不仅为后续酶的改造工作提供了信息借鉴，而且加深了对催化机理的认识。3种不同形式的晶体结构(单体酶、酶与辅酶NADP+、酶与NADPH以及meso-DAP)可以满足后续各种基于结构的改造工作。因此，对于之前不能有效催化的大位阻α-酮酸，例如：苯甲酰甲酸、2-氧代-4-苯基丁酸、吲哚-3-丙酮酸，在参考已解析蛋白质晶体结构的基础上，研究者借助半理性设计[ 53- 55]、活性位点组合饱和突变(combinatorial active-site saturation test，CASTing)[ 56- 57]、迭代饱和突变(iterative saturation mutagenesis，ISM)[ 58- 59]等技术手段，对DAPDH进行了定向改造，获得了一种高催化效率的DAPDH突变体(W121L/H227I)，该突变体成功实现了多个大位阻α-酮酸转化为对应D-氨基酸的催化过程( 图 4)[ 60]。这也为进行更具挑战性D-氨基酸的合成工作提供了借鉴。
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| 图 4 结构指导重塑StDAPDH的底物结合口袋用于还原胺化大位阻α-酮酸[ 60] Figure 4 Structure-guided engineering of meso-diaminopimelate dehydrogenase for enantioselective reductive amination of sterically bulky α-keto acids[ 60] |
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由于DAPDH属于氧化还原酶，因此不可避免地需要用到辅酶，StDAPDH是NADP+-NADPH依赖型，而辅酶的使用又是工业催化领域一个急需克服的高成本问题。所以，尝试解决辅酶的高成本问题是一个重要研究方向。众所周知，辅酶NAD(H)相比NADP(H)有稳定性好、价格低廉及更广的辅酶循环方法等优势[ 61]，所以将StDAPDH的辅酶依赖型由NADP(H)改为NAD(H)，是一个很有应用前景的措施。辅酶NAD(H)和NADP(H)的主要区别在于腺嘌呤的2'位上，后者在该位置上多连接了一个磷酸基团( 图 5)[ 62]。
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| 图 5 辅酶NADH与NADPH结构上的区别 Figure 5 Structural differences between coenzyme NADH and NADPH |
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研究者选择与辅酶NADP+上磷酸基团有直接相互作用的Arg35和Arg36作为改造位点，同时依据同类辅酶改造经验[ 63- 64]，推断靠近辅酶腺嘌呤的氨基酸残基Tyr76也可能影响辅酶的偏好性，对3个位点进行定点突变后成功实现了辅酶偏好性由NADP(H)反转为NAD(H)[ 62]。需要说明的是，辅酶的反转还是需要用到辅酶循环系统才能让辅酶的成本最大限度地降低，而用到辅酶循环系统就需要借助另一个协同酶，这种用来循环辅酶的协同酶与DAPDH之间的催化协同性以及共同催化的稳定性是生物催化过程中又一个需要考虑的问题。因此，研究人员将StDAPDH和来源于Candida boidinii的甲酸脱氢酶进行了共固定化的研究，并对固定化和生物转化条件进行优化，结果显示12个批次的重复使用后依然保持了双酶80%的酶活力，进行20个批次的循环反应后，D-丙氨酸依然可以有效合成(分离产率=75.7%，ee=99.5%)[ 65]。这种共固定化酶不仅提高了双酶的稳定性和可重复利用性，还有助于缩短协同反应之间中间产物的转移距离，具有提高反应催化效率的潜力。
前面的研究均是针对α-酮酸进行不对称还原胺化生成对应的D-氨基酸，如果可以利用更加容易获得的L-氨基酸为底物合成对应的D-氨基酸，那无疑会为D-氨基酸的合成打开另一条通路。因此，研究人员尝试了以L-苏氨酸为底物，利用体外合成生物学的方法，借助L-苏氨酸氨裂解酶、StDAPDH、甲酸脱氢酶三酶级联催化反应实现L-苏氨酸转化为D-2-氨基丁酸(产率 > 90%，ee > 99%)，并且无需添加外源氨基供体，副产物只有二氧化碳和水( 图 6)[ 66]。这为合成生物学与D-氨基酸酶法合成的完美结合开启了新的篇章。
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| 图 6 三酶级联催化L-苏氨酸合成D-2-氨基丁酸[ 66] Figure 6 Tri-enzymatic synthesis of D-2-aminobutyric acid from L-threonine[ 66] |
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受此启发，江南大学的徐岩和聂尧团队利用L-氨基酸脱氨酶和StDAPDH以及甲酸脱氢酶，同样利用合成生物学的方法构建了一套以L-氨基酸为起始底物，一锅合成D-氨基酸的工艺，L-氨基酸脱氨酶催化L-苯丙氨酸氧化脱氨生成苯丙酮酸，生成的苯丙酮酸被StDAPDH/H227V还原胺化生成对应的D-苯丙氨酸，甲酸脱氢酶用于催化过程中辅酶的循环[ 67]。
与此同时，山东理工大学的高秀珍团队也对StDAPDH进行了深入的研究。为了阐述底物特异性机制，需要确认和机制相关的关键氨基酸位点，因此该团队根据遗传进化关系和DAPDH家族的结构功能的比较，推断Arg71可能与StDAPDH的底物特异性相关[ 32]。通过对Arg71的定点突变及活性分析，首次确认了StDAPDH和DAPDH家族中影响催化活力和底物特异性的非活性中心位点Arg71；分子模拟分析表明，其主要机制是破坏了Arg71与Tyr205之间的阳离子π相互作用以及弱化Thr70与NADPH之间的氢键相互作用[ 68]。首次确认的非活性中心关键氨基酸位点将为分析StDAPDH的底物特异性提供借鉴。然而通过分析不同来源DAPDH家族的氨基酸序列发现，与底物相互作用的氨基酸位点在I类和II类DAPDH中是高度保守的，与辅酶NADP+结合的位点也有73.7%高度保守；其中7个保守但在两类DAPDH中氨基酸不同的位点(StDAPDH-II类/CgDAPDH-I类、Pro69/Gly67、Thr70/Ser68、Ser90/Thr88、Val156/Asp154、Val14/Leu14、Val68/Met66、Lys159/Arg157)被等位突变并分析，使StDAPDH的催化机制被进一步洞悉[ 69]。这些研究均为StDAPDH在未来从多个方向进行更具挑战性的D-氨基酸合成提供了信息指导。
4 其他来源的DAPDH以上3个来源的DAPDH是目前发现的被用于合成D-氨基酸的主要催化剂。除此之外，也有少量其他来源的DAPDH被研究，但均因效果不理想而没有进行后续深入的研究。例如，为了制备D-5, 5, 5-三氟戊氨酸(γ-分泌酶抑制剂的中间体)，Hanson等以来源于Bacillus sphaericus的DAPDH (BsDAPDH)为模板，按照CgDAPDH/BC621进行相同的突变改造，以5, 5, 5-三氟-2-氧戊酸为底物，进行对应D-氨基酸的合成；在催化过程中，为避免内源酶对产物选择性的影响，敲除了宿主细胞的谷氨酸脱氢酶，最终利用表达了BsDAPDH突变体的细胞工厂催化合成了50 kg规模的D-5, 5, 5-三氟戊氨酸(产率89%)[ 70]。另外，为了探索DAPDH催化底物谱的分子结合机制，一个来源于Clostridium tetani E88的新型DAPDH (CtDAPDH)被发掘；由于此天然酶无法有效合成D-氨基酸(符合I类DAPDH的催化特征)，因此将CtDAPDH按照CgDAPDH/BC621相同的位点和氨基酸进行改造。改造后的酶明显提高了对苯丙酮酸、丙酮酸、4-甲基-2-氧代戊酸的比活力[ 71]。BsDAPDH和CtDAPDH相关研究可以为其他DAPDH及D-氨基酸的生物酶法合成提供一定的借鉴，但BsDAPDH和CtDAPDH相比较其他来源的DAPDH (CgDAPDH、UtDAPDH、StDAPDH)并不具有优势。因此，新型DAPDH的挖掘依然是一个值得开发的方向，相信在未来的研究中会有更多具有优良催化性状的DAPDH被发现。
5 结论与展望光学纯的非天然D-氨基酸是非常重要的高附加值手性化学品，被广泛应用于功能性食品、医药、农药、化妆品、调味品等领域。DAPDH催化α-酮酸发生还原胺化反应，立体选择性地不对称合成光学纯的手性D-氨基酸具有原子经济性和绿色节能环保的优点。相信随着D-氨基酸的应用价值被不断开发，有关DAPDH及其生物催化的研究会变得越来越重要。
本综述以不同来源的DAPDH为主干线，根据其发展史，系统地介绍了DAPDH开发为人造D-氨基酸脱氢酶的相关研究进展。但有限的来源及研究成果依然无法满足工业生物催化领域的应用需求。目前依然存在DAPDH催化效率低、底物谱窄、底物难以获得、缺乏催化机制的指导信息等不足。因此，可以预期DAPDH未来的研究重点主要会集中在以下几个方面：(1)新型DAPDH及其相似功能酶的挖掘及其催化性质和催化机理的研究；(2)对现有DADPH的分子改造，实现对各种复杂构型α-酮酸的还原胺化合成对应的D-氨基酸；(3)对现有DAPDH催化机理以及关键位点的探索，尤其是非活性中心以及蛋白质表面区域；(4)对DAPDH催化功能转变的研究，例如，转变为同样是催化羰基还原胺化的氨脱氢酶，以及用于合成同样是非天然氨基酸的D-β/γ-氨基酸；(5)借助计算生物学手段从头设计DAPDH，创造具有优良特性的人工酶；(6)将DAPDH用于合成生物学途径设计出新的高效合成D-氨基酸的生物催化路线。
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