近日我校生物工程学院周哲敏教授团队在L-2-氨基丁酸的生物制备方面取得突破，成功用L-谷氨酸为原料合成L-2-氨基丁酸。研究成果“Enzymatic biosynthesis of L-2-aminobutyric acid by glutamate mutase coupled with L-aspartate-β-decarboxylase using L-glutamate as the sole substrate”发表于《ACS catalysis》(DOI:10.1021/acscatal.0c04141)。

L-2-氨基丁酸(L-ABA)是一种非天然氨基酸，作为一种重要的药物合成中间体，是多种高附加值药物的关键手性切块。由于L-ABA制备成本高，导致相应的药物价格昂贵。L-ABA的化学合成环境污染大，且手性分离十分困难。L-苏氨酸经脱氢、氨化及转氨作用，可三步酶法催化合成L-ABA。但是，该方法过程复杂，需要氨基供体、控制反应平衡及额外的辅酶(NADH)再生系统，并且会产生大量的副产物。这些缺陷使L-2-氨基丁酸的制备成本居高不下。而L-谷氨酸(L-Glu)只需脱去γ位羧基，便可生成L-ABA，因此，L-Glu是生产L-ABA的理想原料。但是，无论是化学催化法还是生物酶法，尚未见L-Glu脱去γ位羧基的报道。

为实现L-Glu中γ位羧基的去除，本研究提出利用谷氨酸变位酶(glutamate mutase，GM)和天冬氨酸β-脱羧酶(L-aspartate-β-decarboxylase，Asd)级联催化L-Glu合成L-ABA的新途径：GM首先将L-Glu转化为L-3-甲基-天冬氨酸(L-3-Met-Asp)，再由Asd通过β-脱羧生成L-ABA。虽然GM可以将L-Glu转化成L-3-Met-Asp，然而由于Asd严格的底物选择性特点，无法转化L-3-Met-Asp生成L-ABA。课题组以一种高活性Asd为原始酶，经同源建模及结构分析，首先对底物通道进行改造，获取对L-3-Met-Asp具有催化能力的突变体K18A;在此基础上通过活性中心周围的位点改造，获得了催化活力进一步提升的突变体K18A/V287I。最终，利用GM与Asd的突变体K18A/V287I级联催化，成功实现将L-Glu转化为L-ABA，转化率达到98.9%。本研究成果不仅建立了从L-Glu到L-ABA的酶法合成的新途径，展现了巨大的应用前景，也为非天然氨基酸的酶法合成途径提供了新的思路。

周哲敏教授为该论文的通讯作者，江南大学16级博士生刘宇锋和20级博士后韩来闯为该论文的共同第一作者。上述研究工作得到了国际科技合作创新重点项目(2017YFE0129600)、国家自然科学基金(21878125)、江苏省自然科学基金(BK20181206)等项目的资助。

酶法催化L-谷氨酸合成L-2-氨基丁酸的理性设计