倍半萜合酶催化自然界中一些最具挑战性的化学反应，从Mg2+依赖性的(2E，6E)-法尼基二磷酸脱去二磷酸开始，产生高反应性的碳正离子。这种反应性碳正离子可以经历各种分子内重排的级联反应，这可能涉及几个碳正离子和/或中性中间体，最终产物通过脱质子化或H2O攻击形成。工程化萜烯生物合成的主要挑战是控制高活性碳正离子的分子内排列和最终产物分布。最终的碳正离子猝灭最常见的是脱质子产生碳氢化合物萜烯。用水淬灭以产生特定的复杂萜醇需要高度的分子编排，同时避免反应性中间体过早淬灭，因为封闭活性位点构象中可能普遍存在截留的水。对倍半萜合酶进行工程化改造，可以创造新型高保真酶以支持建立生产高价值倍半萜的生物技术工艺。然而，对这些酶进行预测性工程化以制造特定产品仍然是一个重大挑战。
图片来源：ACS Catal.
有鉴于此，Cardiff University的Rudolf K. Allemann和University of Bristol的Marc W. van der Kamp合作，利用原子模拟和定点突变工程化改造selina-4(15),7(11)- diene合酶SdS，形成的中间体碳正离子被活性位点水捕获淬灭，从而形成复杂的羟基化倍半萜selina-7(11)-en-4-醇。
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最初，SdS 的突变体G305E产生20%的selin-7(11)-en-4-醇，通过对酶和碳正离子复合物的结构模拟表明，改变pH值可以进一步提高selin-7(11)-en-4-醇的产量，在pH 6.0时selin-7(11)-en-4-醇的产率为48%成为主要产物。
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随后，这项研究还将SdS突变体G305E与甲羟戊酸途径的基因结合到E. coli BL21 (DE3)中，并在分批发酵中以10 mg/L的规模生产selin-7(11)-en-4-醇。这些结果突出了萜合酶模拟指导工程化生产目标羟基化倍半萜的潜力。
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原文标题：Simulation-Guided Engineering Enables a Functional Switch in Selinadiene Synthase toward Hydroxylation
原文作者：Prabhakar L. Srivastava, Sam T. Johns, Angus Voice, Katharine Morley, Andrés M. Escorcia, David J. Miller, Rudolf K. Allemann,* and Marc W. van der Kamp*
ACS Catal. 2024, 14, 11034−11043
