Oxidoreductases are effective biocatalysts, but their practical use is limited by the need for large quantities of NAD(P)H. In this study, a whole-cell biocatalyst for NAD(P)H cofactor regeneration was developed using the economical substrate glycerol. This cofactor regeneration system employs permeabilized Escherichia coli cells in which the glpD and gldA genes were deleted and the gpsA gene, which encodes $NAD(P)^+-dependent$ glycerol-3-phosphate dehydrogenase, was overexpressed. These manipulations were applied to block a side reaction (i.e., the conversion of glycerol to dihydroxyacetone) and to switch the glpD-encoding enzyme reaction to a gpsA-encoding enzyme reaction that generates both NADH and NADPH. We demonstrated the performance of the cofactor regeneration system using a lactate dehydrogenase reaction as a coupling reaction model. The developed biocatalyst involves an economical substrate, bifunctional regeneration of NAD(P)H, and simple reaction conditions as well as a stable environment for enzymes, and is thus applicable to a variety of oxidoreductase reactions requiring NAD(P)H regeneration.
Artificial coupling of one enzyme with another can provide an efficient means for the production of industrially important chemicals. Xylose reductase has been recently discovered to be useful in the reductive production of xylitol. However, a limitation of its in vitro or in vivo use is the regeneration of the cofactor NAD(P)H in the enzyme activity. In the present study, an efficient process for the production of xylitol from D-xylose was established by coupling two enzymes. A NADH-dependent xylose reductase (XR) from Pichia stipitis catalyzed the reduction of xylose with a stoichiometric consumption of NADH, and the resulting cofactor $NAD^+$ was continuously re-reduced by formate dehydrogenase (FDH) for regeneration. Using simple kinetic analyses as tools for process optimization, suitable conditions for the performance and yield of the coupled reaction were established. The optimal reaction temperature and pH were determined to be about $30^{\circ}C$ and 7.0, respectively. Formate, as a substrate of FDH, affected the yield and cofactor regeneration, and was, therefore, adjusted to a concentration of 20 mM. When the total activity of FDH was about 1.8-fold higher than that of XR, the performance was better than that by any other activity ratios. As expected, there were no distinct differences in the conversion yields of reactions, when supplied with the oxidized form $NAD^+$ instead of the reduced form NADH, as a starting cofactor for regeneration. Under these conditions, a complete conversion (>99%) could be readily obtained from a small-scale batch reaction.
The aldo-keto reductases catalyze reduction reactions using various aliphatic and aromatic aldehydes/ketones. Most reductases require NADPH exclusively as their cofactors. However, NADPH is much more expensive and unstable than NADH. In this study, we attempted to change the five amino acid residues that interact with the 2'-phosphate group of the adenosine ribose of NADPH. These residues were selected based on a docking model of the YOL151W reductase and were substituted with other amino acids to develop NADH-utilizing enzymes. Ten mutants were constructed by site-directed mutagenesis and expressed in Escherichia coli. Among them, four mutants showed higher reductase activities than wild-type when using the NADH cofactor. Analysis of the kinetic parameters for the wild type and mutants indicated that the $k_{cat}/K_{m}$ value of the Asn9Glu mutant toward NADH increased 3-fold. A docking model was used to show that the carboxyl group of Glu 9 of the mutant formed an additional hydrogen bond with the 2'-hydroxyl group of adenosine ribose. The Asn9Glu mutant was able to produce (R)-ethyl-4-chloro-3-hydroxyl butanoate rapidly when using the NADH regeneration system.
In this study, functionalized poplar powder (FPP) was used as a support material for the immobilization of enoate reductase (ER) and glucose-6-phosphate dehydrogenase (GDH) by covalent binding. Under optimal conditions, the immobilization efficiency of ER-FPP and GDH-FPP was 95.1% and 84.7%, and the activity recovery of ER and GDH was 47.5% and 37.8%, respectively. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis indicated that FPP was a suitable carrier for enzyme immobilization. ER-FPP and GDH-FPP exhibit excellent thermal stabilities and superior reusability. Especially, ER-FPP and GDH-FPP enable the continuous conversion of 4-(4-Methoxyphenyl)-3-buten-2-one with $NAD^+$ recycling. While the immobilization strategies established here were simple and inexpensive, they exploited a new method for the immobilization and application of ER and its cofactor recycling system.
Tetrahydrobiopterin (BH4) is a multifunctional cofactor of aromatic amino acid hydroxylases and nitric oxide synthase (NOS) as well as an intracellular antioxidant in animals. Through regulation of NOS activity BH4 plays a pivotal role not only in a variety of normal cellular functions but also in the pathogenesis of cardiovascular and neurodegenerative diseases, which develop under oxidative stress conditions. It appears that a balanced interplay between BH4 and NOS is crucial for cellular fate. If cellular BH4 homeostasis maintained by BH4 synthesis and regeneration fails to cope with increased oxidative stress, NOS is uncoupled to generate superoxide rather than NO and, in turn, exacerbates impaired BH4 homeostasis, thereby leading to cell death. The fundamental biochemical events involved in the BH4-NOS interplay are essentially the same, as revealed in mammalian endothelial, cardiac, and neuronal cells. This review summarizes information on the cellular BH4 homeostasis in mammals, focusing on its regulation under normal and oxidative stress conditions.
Three recombinant Saccharomyces cerevisiae strains showing different levels of xylose reductase activity were constructed to investigate the effects of xylose reductase activity and glucose feed rate on xylitol production. Conversion of xylose to xylitol is catalyzed by xylose reductase of Pichia stipitis with cofactor NAD(P)H. A two-substrate fermentation strategy has been employed where glucose is used as an energy source for NADPH regeneration and xylose as substrate for xylitol production. All recombinant S. cerevisiae strains Yielded similar specific xylitol productivity, indicating that xylitol production in the recombinant S. cerevisiae was more profoundly affected by the glucose supply and concomitant It generation of cofactor than the xylose reductase activity itself. It was confirmed in a continuous culture that the elevation of the glucose feeding level in the xylose-conversion period enhanced the xylitol productivity in the recombinant S. cerevisiae.
Reductases convert some achiral ketone compounds into chiral alcohols, which are important materials for the synthesis of chiral drugs. The Saccharomyces cerevisiae reductase YOR120W converts ethyl-4-chloro-3-oxobutanoate (ECOB) enantioselectively into (R)-ethyl-4-chloro-3-hydroxybutanoate ((R)-ECHB), an intermediate of a pharmaceutical. As YOR120W requires NADPH as a cofactor for the reduction reaction, a cofactor recycling system using Bacillus subtilis glucose dehydrogenase was employed. Using this coupling reaction system, 100 mM ECOB was converted to (R)-ECHB. A homology modeling and site-directed mutagenesis experiment were performed to determine the NADPH-binding site of YOR120W. Four residues (Q29, K264, N267, and R270) were suggested by homology and docking modeling to interact directly with 2'-phosphate of NADPH. Among them, two positively charged residues (K264 and R270) were experimentally demonstrated to be necessary for NADPH 2'-phosphate binding. A mutant enzyme (Q29E) showed an enhanced enantiomeric excess value compared with that of the wild-type enzyme.
Fermentation characteristics of recombinant Saccharomyces cerevisiae containing the xylose reductase gene from Pichia stipitis were analyzed in an attempt to convert xylose to xylitol, a natural five-carbon sugar alcohol used as a sweetener. Xylitol was produced with a maximum yield of 0.95 (g xylitol/g xylose consumed) in the presence of glucose that is used as a cosubstrate for cofactor regeneration. However addition of glucose caused inhibition of xylose transport and accumulation of ethanol. Such problems were solved by adopting glucose-limlted fed-batch fermentation. This process done with S, cerevisiae EHl3.15:pY2XR at$30\;^{\circ}C$ resulted in 105.2g/L xylitol concentration with maximum productivity of 1.69 g $L^{-1}$$hr^{-1}$.
Nitrate reductase deficient (NR) mutant lines were selected indirectly by their resistance to 100mM chlorate in cell cultures of P. parviflora. A total of 585 chlorate resistant lines were confirmed by a second passage on a high concentration of chlorate. Frequency of spontaneous mutation was $9.7{\times}10^{-7}$ in 3 month old suspension-cultured cells, and in non-selective media containing amino acids as sole nitrogen source. The frequency of mutation could be increased up to 11-fold by culture for 12 months. Out of 40 randomly selected calli, 22 were fully deficient in NR. The rest of the clones contained a decreased level of NR activity. Further characterization was carried out in 13 mutant lines which were fully deficient in NR and in 5 mutant lines containing residual (0-7.0%) NR activity, as compared to wild-type cells cultured on the same medium. The $NR^-$ mutants were tentatively classified as defective in the NR apoenzyme (nia-type; 11 mutant lines including the 5 with residual NR activity) or in the molybdenum cofactor (cnx-type; 7 mutant lines) by the XDH activity. The cnx-type could be further classified into two groups. In one group (5 mutant lines) of these, the NR activity could be partially restored by nonphysiologically high (1.0mM) molybdate in the culture medium. Both types of $NR^-$ mutants were unable to grow on minimal medium containing nitrate as sole nitrogen source, but grew well on amino acids. They also proved to be extremely sensitive to the standard medium ($MSP_1$) containing nitrate and ammonium. Shoot regeneration was obtained only in the $NR^-$ mutants, which contained residual NR activity, but they so far have failed to grow into plants.
(R)-[3,5-Bis(trifluoromethyl)phenyl] ethanol is a key chiral intermediate for the synthesis of aprepitant. In this paper, an efficient synthetic process for (R)-[3,5- bis(trifluoromethyl)phenyl] ethanol was developed via the asymmetric reduction of 3,5-bis(trifluoromethyl) acetophenone, catalyzed by Leifsonia xyli CCTCC M 2010241 cells using isopropanol as the co-substrate for cofactor recycling. Firstly, the substrate and product solubility and cell membrane permeability of biocatalysts were evaluated with different co-substrate additions into the reaction system, in which isopropanol manifested as the best hydrogen donor of coupled NADH regeneration during the bioreduction of 3,5-bis(trifluoromethyl) acetophenone. Subsequently, the optimization of parameters for the bioreduction were undertaken to improve the effectiveness of the process. The determined efficient reaction system contained 200mM of 3,5-bis(trifluoromethyl) acetophenone, 20% (v/v) of isopropanol, and 300 g/l of wet cells. The bioreduction was executed at $30^{\circ}C$ and 200 rpm for 30 h, and 91.8% of product yield with 99.9% of enantiometric excess (e.e.) was obtained. The established bioreduction reaction system could tolerate higher substrate concentrations of 3,5- bis(trifluoromethyl) acetophenone, and afforded a satisfactory yield and excellent product e.e. for the desired (R)-chiral alcohol, thus providing an alternative to the chemical synthesis of (R)-[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl] ethanol.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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