Graduate School of Science, Technology and Innovation, Kobe University, 1-1 Rokkodai-cho, Nada-ku, Kobe, 657-8501, Japan.
Mitsui Knowledge Industry Co., Ltd. (MKI), 2-3-33 Nakanoshima, Kita-ku, Osaka, 530-0005, Japan.
Nat Commun. 2019 May 1;10(1):2015. doi: 10.1038/s41467-019-09610-2.
Previous studies have utilized monoamine oxidase (MAO) and L-3,4-dihydroxyphenylalanine decarboxylase (DDC) for microbe-based production of tetrahydropapaveroline (THP), a benzylisoquinoline alkaloid (BIA) precursor to opioid analgesics. In the current study, a phylogenetically distinct Bombyx mori 3,4-dihydroxyphenylacetaldehyde synthase (DHPAAS) is identified to bypass MAO and DDC for direct production of 3,4-dihydroxyphenylacetaldehyde (DHPAA) from L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA). Structure-based enzyme engineering of DHPAAS results in bifunctional switching between aldehyde synthase and decarboxylase activities. Output of dopamine and DHPAA products is fine-tuned by engineered DHPAAS variants with Phe79Tyr, Tyr80Phe and Asn192His catalytic substitutions. Balance of dopamine and DHPAA products enables improved THP biosynthesis via a symmetrical pathway in Escherichia coli. Rationally engineered insect DHPAAS produces (R,S)-THP in a single enzyme system directly from L-DOPA both in vitro and in vivo, at higher yields than that of the wild-type enzyme. However, DHPAAS-mediated downstream BIA production requires further improvement.
先前的研究利用单胺氧化酶 (MAO) 和 L-3,4-二羟基苯丙氨酸脱羧酶 (DDC) 从微生物中生产四氢罂粟碱 (THP),THP 是一种苯并异喹啉生物碱 (BIA) 前体,用于阿片类镇痛药。在本研究中,鉴定了一种在系统发育上不同的家蚕 3,4-二羟基苯乙醛合酶 (DHPAAS),用于绕过 MAO 和 DDC,直接从 L-3,4-二羟基苯丙氨酸 (L-DOPA) 生产 3,4-二羟基苯乙醛 (DHPAA)。基于结构的酶工程使 DHPAAS 在醛合酶和脱羧酶活性之间具有双功能切换。通过工程化的 DHPAAS 变体进行苯丙氨酸 79 位酪氨酸、酪氨酸 80 位苯丙氨酸和天冬酰胺 192 位组氨酸的催化取代,可精细调节多巴胺和 DHPAA 产物的输出。通过工程化的 DHPAAS 变体进行苯丙氨酸 79 位酪氨酸、酪氨酸 80 位苯丙氨酸和天冬酰胺 192 位组氨酸的催化取代,可精细调节多巴胺和 DHPAA 产物的输出。通过工程化的 DHPAAS 变体进行苯丙氨酸 79 位酪氨酸、酪氨酸 80 位苯丙氨酸和天冬酰胺 192 位组氨酸的催化取代,可精细调节多巴胺和 DHPAA 产物的输出。通过工程化的 DHPAAS 变体进行苯丙氨酸 79 位酪氨酸、酪氨酸 80 位苯丙氨酸和天冬酰胺 192 位组氨酸的催化取代,可精细调节多巴胺和 DHPAA 产物的输出。多巴胺和 DHPAA 产物的平衡通过在大肠杆菌中通过对称途径提高了 THP 的生物合成。理性设计的昆虫 DHPAAS 直接从 L-DOPA 在体外和体内以比野生型酶更高的产率在单个酶系统中产生 (R,S)-THP。然而,DHPAAS 介导的下游 BIA 生产需要进一步改进。