L-高苯丙氨酸 (L-HPA) 是合成20余种手性药物的重要中间体，包括血管紧张素转换酶抑制剂、蛋白酶抑制剂、乙酰胆碱酯酶抑制剂、中性内肽酶抑制剂和β-内酰胺抗生素。为了开发一条高效、低成本的L-HPA的合成路线，江南大学刘立明教授课题组设计了一条以廉价的苯甲醛和丙酮酸为起始原料，通过酶促和自发化学反应相结合的L-HPA高效合成路线，极具成本优势。
为了构建这一路线，通过多种酶筛选技术，筛选确定了催化每一步反应所需要的最佳路径酶。同时借助基因采矿技术筛选到一个不依赖于黄素辅因子的能催化不饱和酮酸的烯还原酶，这一还原酶具有较高的活性和稳定性，具有良好的商业应用潜力。在此基础上，作者对筛选获得的最佳路径酶进行了表达、纯化和体外组装，验证路径的有效性。并借助代谢工程手段在体内进行组装，发现苯丙氨酸脱氢酶的催化效率和低表达量成为路径的限速步骤，因此进行蛋白质工程改造，获得最优突变体，并借助半胱氨酸突变和对C端无序区的截短提高其在体内表达量，实现了菌体中的最佳酶配比，得到了最佳生产菌株。
图1. 路径酶的筛选
图2. 苯丙氨酸脱氢酶改造
最终，在优化反应条件后，通过分批补料策略，在5 L规模的生物反应器中，实现了L-高苯丙氨酸的规模化制备，使L-高苯丙氨酸的产量达到100.9 g/L，转化率为94%。
图3. L-高苯丙氨酸的规模化制备
总之，作者设计了一条酶促和自发化学反应相结合的路线，实现了利用廉价原料合成L-高苯丙氨酸的目的。利用了现代生物催化生产高价值化学品的不同的最先进的方法，通过结合不同的计算工具，酶筛选和酶工程方法，使作者能够在工业规模上获得L-高苯丙氨酸。这为多酶级联生产其他高价值的化学品提供了一个可以借鉴的案例。
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202207077
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