近年來，合成生物學的快速發展使微生物發酵生產天然胺基酸的成本持續降低，胺基酸產業取得了巨大發展，2017年全球胺基酸產量約為850萬噸，預計到2022年將突破1100萬噸。然而，我國作為胺基酸生產和消費大國，大宗型胺基酸產品已經進入供過於求的狀態。因此，發展使用生物基L-胺基酸作為初始原料生產高附加值產品的新型生物技術，對國家的可持續性發展與產業升級具有重要的經濟意義和社會價值。
酮酸作為L-胺基酸合成的直接前體物質，在人體和動物的新陳代謝中起著重要的作用，被廣泛應用於醫藥（複方酮酸片用於治療慢性肝腎功能衰竭）、食品（功能飲料）、農業和養殖業等多個領域。但目前酮酸的化學合成需要使用昂貴的催化劑或特殊的起始化合物，從而存在高生產成本和環境不友好等諸多缺點。因此，使用生物基L-胺基酸轉化生產酮酸在可持續性與經濟性方面具有突出優勢。
近日，中國科學院微生物研究所的吳邊團隊開發了一種基於轉氨酶的多酶級聯系統，能夠直接將L-胺基酸氧化為對應的酮酸。該級聯反應具有如下優勢：使用廉價且可再生的底物，通過酶介導的氧氣引入，將轉氨酶的不利化學平衡轉移到產物的合成方向，具備優秀的原子經濟性。由於轉氨酶一般只接受一組相似胺基酸作為底物，這種底物選擇的嚴謹性阻礙了該技術的廣泛應用。為了解決上述問題，該團隊從生物信息大數據出發，通過一系列生物信息學與計算生物學結合的方法，尋找兼容上述級聯反應的新型轉氨元件以擴大其應用範圍。通過對序列和結構的組合分析，研究團隊建立了針對不同家族的轉氨元件高效快速的計算篩選方法，將未知序列展開到二維平面上，通過對序列所在位置的分布進行計算篩選，從資料庫中的一萬餘個轉氨元件中選取了27個候選序列進行測試。最終建立了一個由6個具有互補的底物選擇性的轉氨元件構成的酶工具箱，實現了對天然L-胺基酸的全覆蓋。
圖1：通過計算技術挖掘微生物轉氨元件
在催化劑量的穀氨酸的輔助下，該酶級聯反應平臺可以將絕大多數的L-胺基酸高效地轉化為相應的酮酸（轉化率>99％）。除此之外，該級聯反應還具有很高的兼容性與延展性。該團隊將酮酸合成的酶促級聯反應與D-胺基酸和N-取代胺基酸的酶促反應進行偶聯，進一步實現了從L-胺基酸作為出發底物，一鍋法合成高附加值手性D-胺基酸和N-取代胺基酸。
圖2：使用微生物酶級聯反應高效轉化天然胺基酸為高值化合物
該項研究打通了L-胺基酸到酮酸及相關高價值衍生物的綠色合成途徑，加深了對於轉氨酶底物選擇性機制的理解，也為利用計算技術挖掘微生物資源寶庫提供了新的借鑑。近期這一成果發表在ACS Catalysis上，文章的第一作者是微生物研究所博士研究生李濤，吳邊教授為通訊作者。