RU2784878C2 - Method for production of 2-oxo-4-valerolactone - Google Patents
Method for production of 2-oxo-4-valerolactone Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784878C2 RU2784878C2 RU2017136581A RU2017136581A RU2784878C2 RU 2784878 C2 RU2784878 C2 RU 2784878C2 RU 2017136581 A RU2017136581 A RU 2017136581A RU 2017136581 A RU2017136581 A RU 2017136581A RU 2784878 C2 RU2784878 C2 RU 2784878C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acid
- hydroxy
- oxo
- valerolactone
- pyruvate
- Prior art date
Links
- NVZISLHGQBFBLS-UHFFFAOYSA-N 5-methyloxolane-2,3-dione Chemical compound CC1CC(=O)C(=O)O1 NVZISLHGQBFBLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 66
- LCTONWCANYUPML-UHFFFAOYSA-M Pyruvate Chemical compound CC(=O)C([O-])=O LCTONWCANYUPML-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 63
- HFKQINMYQUXOCH-UHFFFAOYSA-N 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid Chemical compound CC(O)CC(=O)C(O)=O HFKQINMYQUXOCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 claims abstract description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 31
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 claims abstract description 29
- 238000007273 lactonization reaction Methods 0.000 claims abstract description 22
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- IOTNLSAKNNGZGC-UHFFFAOYSA-N 3-ethenyloxolan-2-one Chemical compound C=CC1CCOC1=O IOTNLSAKNNGZGC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims abstract 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 25
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 25
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 24
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims description 22
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims description 22
- 238000006668 aldol addition reaction Methods 0.000 claims description 18
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims description 15
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 13
- 108010068561 Fructose-Bisphosphate Aldolase Proteins 0.000 claims description 12
- 102000001390 Fructose-Bisphosphate Aldolase Human genes 0.000 claims description 12
- 101000693619 Starmerella bombicola Lactone esterase Proteins 0.000 claims description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- XHMUCGPKDKCFHL-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxy-5-methyloxolan-2-one Chemical compound CC1CC(O)C(=O)O1 XHMUCGPKDKCFHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000002703 mutagenesis Methods 0.000 claims description 10
- 231100000350 mutagenesis Toxicity 0.000 claims description 10
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 108090001060 Lipase Proteins 0.000 claims description 9
- 102000004882 Lipase Human genes 0.000 claims description 9
- 239000004367 Lipase Substances 0.000 claims description 9
- 108091005804 Peptidases Proteins 0.000 claims description 9
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 9
- 235000019421 lipase Nutrition 0.000 claims description 9
- 108090000371 Esterases Proteins 0.000 claims description 8
- 230000034659 glycolysis Effects 0.000 claims description 8
- 239000004365 Protease Substances 0.000 claims description 7
- BGLUXFNVVSVEET-UHFFFAOYSA-N beta-angelica lactone Chemical compound CC1OC(=O)C=C1 BGLUXFNVVSVEET-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims description 7
- SRBFZHDQGSBBOR-IOVATXLUSA-N D-xylopyranose Chemical compound O[C@@H]1COC(O)[C@H](O)[C@H]1O SRBFZHDQGSBBOR-IOVATXLUSA-N 0.000 claims description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 6
- 102100037486 Reverse transcriptase/ribonuclease H Human genes 0.000 claims description 6
- PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N arabinose Natural products OCC(O)C(O)C(O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N beta-D-Pyranose-Lyxose Natural products OC1COC(O)C(O)C1O SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 claims description 6
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 5
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 claims description 4
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 claims description 4
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 claims description 4
- WQZGKKKJIJFFOK-PHYPRBDBSA-N alpha-D-galactose Chemical compound OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-PHYPRBDBSA-N 0.000 claims description 3
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 claims description 3
- PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N arabinose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N 0.000 claims description 3
- 229930182830 galactose Natural products 0.000 claims description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-CBPJZXOFSA-N D-Gulose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-CBPJZXOFSA-N 0.000 claims description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-WHZQZERISA-N D-aldose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-WHZQZERISA-N 0.000 claims description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-IVMDWMLBSA-N D-allopyranose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-IVMDWMLBSA-N 0.000 claims description 2
- LKDRXBCSQODPBY-JDJSBBGDSA-N D-allulose Chemical compound OCC1(O)OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O LKDRXBCSQODPBY-JDJSBBGDSA-N 0.000 claims description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-QTVWNMPRSA-N D-mannopyranose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-QTVWNMPRSA-N 0.000 claims description 2
- HMFHBZSHGGEWLO-SOOFDHNKSA-N D-ribofuranose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H]1O HMFHBZSHGGEWLO-SOOFDHNKSA-N 0.000 claims description 2
- ZAQJHHRNXZUBTE-NQXXGFSBSA-N D-ribulose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)C(=O)CO ZAQJHHRNXZUBTE-NQXXGFSBSA-N 0.000 claims description 2
- ZAQJHHRNXZUBTE-UHFFFAOYSA-N D-threo-2-Pentulose Natural products OCC(O)C(O)C(=O)CO ZAQJHHRNXZUBTE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZAQJHHRNXZUBTE-WUJLRWPWSA-N D-xylulose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@H](O)C(=O)CO ZAQJHHRNXZUBTE-WUJLRWPWSA-N 0.000 claims description 2
- LKDRXBCSQODPBY-AMVSKUEXSA-N L-(-)-Sorbose Chemical compound OCC1(O)OC[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O LKDRXBCSQODPBY-AMVSKUEXSA-N 0.000 claims description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-VSOAQEOCSA-N L-altropyranose Chemical compound OC[C@@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VSOAQEOCSA-N 0.000 claims description 2
- PYMYPHUHKUWMLA-LMVFSUKVSA-N Ribose Natural products OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-LMVFSUKVSA-N 0.000 claims description 2
- HMFHBZSHGGEWLO-UHFFFAOYSA-N alpha-D-Furanose-Ribose Natural products OCC1OC(O)C(O)C1O HMFHBZSHGGEWLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- SRBFZHDQGSBBOR-STGXQOJASA-N alpha-D-lyxopyranose Chemical compound O[C@@H]1CO[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O SRBFZHDQGSBBOR-STGXQOJASA-N 0.000 claims description 2
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 claims description 2
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 claims description 2
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 claims description 2
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 claims description 2
- 125000002951 idosyl group Chemical class C1([C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O1)CO)* 0.000 claims description 2
- BJHIKXHVCXFQLS-PQLUHFTBSA-N keto-D-tagatose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)C(=O)CO BJHIKXHVCXFQLS-PQLUHFTBSA-N 0.000 claims description 2
- JOOXCMJARBKPKM-UHFFFAOYSA-N 4-oxopentanoic acid Chemical compound CC(=O)CCC(O)=O JOOXCMJARBKPKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 75
- 229940040102 levulinic acid Drugs 0.000 abstract description 35
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 23
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- OZJPLYNZGCXSJM-UHFFFAOYSA-N 5-valerolactone Chemical compound O=C1CCCCO1 OZJPLYNZGCXSJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- 229940058352 levulinate Drugs 0.000 abstract description 4
- JOOXCMJARBKPKM-UHFFFAOYSA-M 4-oxopentanoate Chemical compound CC(=O)CCC([O-])=O JOOXCMJARBKPKM-UHFFFAOYSA-M 0.000 abstract description 3
- HSJKGGMUJITCBW-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxybutanal Chemical compound CC(O)CC=O HSJKGGMUJITCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- 101710088194 Dehydrogenase Proteins 0.000 description 48
- VGAFMEAWKVZZIM-UHFFFAOYSA-N 2,4-dihydroxypentanoic acid Chemical compound CC(O)CC(O)C(O)=O VGAFMEAWKVZZIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 45
- FMHKPLXYWVCLME-UHFFFAOYSA-N 4-hydroxy-valeric acid Chemical compound CC(O)CCC(O)=O FMHKPLXYWVCLME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 42
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 38
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 38
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 38
- IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N Acetaldehyde Chemical compound CC=O IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 102000004867 Hydro-Lyases Human genes 0.000 description 30
- 108090001042 Hydro-Lyases Proteins 0.000 description 30
- GAEKPEKOJKCEMS-UHFFFAOYSA-N gamma-valerolactone Chemical compound CC1CCC(=O)O1 GAEKPEKOJKCEMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 26
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 25
- QTSNVMMGKAPSRT-UHFFFAOYSA-N 2-Hydroxy-4-oxopentanoic acid Chemical compound CC(=O)CC(O)C(O)=O QTSNVMMGKAPSRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- HBAQYPYDRFILMT-UHFFFAOYSA-N 8-[3-(1-cyclopropylpyrazol-4-yl)-1H-pyrazolo[4,3-d]pyrimidin-5-yl]-3-methyl-3,8-diazabicyclo[3.2.1]octan-2-one Chemical class C1(CC1)N1N=CC(=C1)C1=NNC2=C1N=C(N=C2)N1C2C(N(CC1CC2)C)=O HBAQYPYDRFILMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 23
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 20
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 19
- XGTKSWVCNVUVHG-NSCUHMNNSA-N (e)-4-oxopent-2-enoic acid Chemical compound CC(=O)\C=C\C(O)=O XGTKSWVCNVUVHG-NSCUHMNNSA-N 0.000 description 18
- RGJOEKWQDUBAIZ-IBOSZNHHSA-N CoASH Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCS)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 RGJOEKWQDUBAIZ-IBOSZNHHSA-N 0.000 description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 17
- RGJOEKWQDUBAIZ-UHFFFAOYSA-N coenzime A Natural products OC1C(OP(O)(O)=O)C(COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)C(O)C(=O)NCCC(=O)NCCS)OC1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 RGJOEKWQDUBAIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000005516 coenzyme A Substances 0.000 description 17
- 229940093530 coenzyme a Drugs 0.000 description 17
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 17
- KDTSHFARGAKYJN-UHFFFAOYSA-N dephosphocoenzyme A Natural products OC1C(O)C(COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)C(O)C(=O)NCCC(=O)NCCS)OC1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 KDTSHFARGAKYJN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 102000004316 Oxidoreductases Human genes 0.000 description 15
- 108090000854 Oxidoreductases Proteins 0.000 description 15
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 15
- 150000002596 lactones Chemical class 0.000 description 15
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 15
- 238000007363 ring formation reaction Methods 0.000 description 15
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 14
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 14
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 13
- QPMJENKZJUFOON-PLNGDYQASA-N ethyl (z)-3-chloro-2-cyano-4,4,4-trifluorobut-2-enoate Chemical compound CCOC(=O)C(\C#N)=C(/Cl)C(F)(F)F QPMJENKZJUFOON-PLNGDYQASA-N 0.000 description 13
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 13
- -1 but not limited to Chemical class 0.000 description 12
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 11
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 9
- 239000000047 product Substances 0.000 description 9
- 108010029348 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase Proteins 0.000 description 8
- 102000003677 Aldehyde-Lyases Human genes 0.000 description 8
- 108090000072 Aldehyde-Lyases Proteins 0.000 description 8
- 108020005199 Dehydrogenases Proteins 0.000 description 8
- 108091028043 Nucleic acid sequence Proteins 0.000 description 8
- 108091007187 Reductases Proteins 0.000 description 8
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 8
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 8
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 8
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 7
- 108010011939 Pyruvate Decarboxylase Proteins 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- XJLXINKUBYWONI-DQQFMEOOSA-N [[(2r,3r,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-3-hydroxy-4-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl] [(2s,3r,4s,5s)-5-(3-carbamoylpyridin-1-ium-1-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methyl phosphate Chemical compound NC(=O)C1=CC=C[N+]([C@@H]2[C@H]([C@@H](O)[C@H](COP([O-])(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]3[C@H]([C@@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](O3)N3C4=NC=NC(N)=C4N=C3)O)O2)O)=C1 XJLXINKUBYWONI-DQQFMEOOSA-N 0.000 description 6
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 6
- 238000012407 engineering method Methods 0.000 description 6
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 6
- 229930027945 nicotinamide-adenine dinucleotide Natural products 0.000 description 6
- 230000000707 stereoselective effect Effects 0.000 description 6
- 108010023922 Enoyl-CoA hydratase Proteins 0.000 description 5
- 102000011426 Enoyl-CoA hydratase Human genes 0.000 description 5
- 108010022181 Phosphopyruvate Hydratase Proteins 0.000 description 5
- 102000012288 Phosphopyruvate Hydratase Human genes 0.000 description 5
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 5
- 235000014680 Saccharomyces cerevisiae Nutrition 0.000 description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 5
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 5
- 235000019419 proteases Nutrition 0.000 description 5
- 150000003333 secondary alcohols Chemical class 0.000 description 5
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 5
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- DFPAKSUCGFBDDF-UHFFFAOYSA-N Nicotinamide Chemical compound NC(=O)C1=CC=CN=C1 DFPAKSUCGFBDDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003851 biochemical process Effects 0.000 description 4
- 210000004671 cell-free system Anatomy 0.000 description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000007210 heterogeneous catalysis Methods 0.000 description 4
- 238000007172 homogeneous catalysis Methods 0.000 description 4
- 150000004730 levulinic acid derivatives Chemical class 0.000 description 4
- 230000037353 metabolic pathway Effects 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- WMTIZROLKOPQHU-OXFTYAHUSA-N s-[2-[3-[[(2r)-4-[[[(2r,3s,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-4-hydroxy-3-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-hydroxyphosphoryl]oxy-2-hydroxy-3,3-dimethylbutanoyl]amino]propanoylamino]ethyl] 2,4-dihydroxypentanethioate Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C(O)CC(O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 WMTIZROLKOPQHU-OXFTYAHUSA-N 0.000 description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- 108010036781 Fumarate Hydratase Proteins 0.000 description 3
- 102100036160 Fumarate hydratase, mitochondrial Human genes 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 102000035195 Peptidases Human genes 0.000 description 3
- 102000004357 Transferases Human genes 0.000 description 3
- 108090000992 Transferases Proteins 0.000 description 3
- UNRQTHVKJQUDDF-UHFFFAOYSA-N acetylpyruvic acid Chemical compound CC(=O)CC(=O)C(O)=O UNRQTHVKJQUDDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 3
- 230000008238 biochemical pathway Effects 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- FWFSEYBSWVRWGL-UHFFFAOYSA-N cyclohex-2-enone Chemical compound O=C1CCCC=C1 FWFSEYBSWVRWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 3
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 3
- 150000004715 keto acids Chemical group 0.000 description 3
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- WNVLQWHBUPCHQV-XGXNYEOVSA-N s-[2-[3-[[(2r)-4-[[[(2r,3s,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-4-hydroxy-3-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-hydroxyphosphoryl]oxy-2-hydroxy-3,3-dimethylbutanoyl]amino]propanoylamino]ethyl] 2-hydroxy-4-oxopentanethioate Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C(O)CC(=O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 WNVLQWHBUPCHQV-XGXNYEOVSA-N 0.000 description 3
- 150000007970 thio esters Chemical class 0.000 description 3
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YANJKPZKTWMMOF-NSCUHMNNSA-N (e)-4-hydroxypent-2-enoic acid Chemical compound CC(O)\C=C\C(O)=O YANJKPZKTWMMOF-NSCUHMNNSA-N 0.000 description 2
- SJZRECIVHVDYJC-UHFFFAOYSA-N 4-hydroxybutyric acid Chemical compound OCCCC(O)=O SJZRECIVHVDYJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CZJAMWADLBRIAX-UHFFFAOYSA-N 4-oxopentanoic acid Chemical compound CC(=O)CCC(O)=O.CC(=O)CCC(O)=O CZJAMWADLBRIAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000193403 Clostridium Species 0.000 description 2
- FEWJPZIEWOKRBE-JCYAYHJZSA-N Dextrotartaric acid Chemical compound OC(=O)[C@H](O)[C@@H](O)C(O)=O FEWJPZIEWOKRBE-JCYAYHJZSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GMEONFUTDYJSNV-UHFFFAOYSA-N Ethyl levulinate Chemical compound CCOC(=O)CCC(C)=O GMEONFUTDYJSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000008956 FMN-dependent dehydrogenases Human genes 0.000 description 2
- 108050000913 FMN-dependent dehydrogenases Proteins 0.000 description 2
- YTNIXZGTHTVJBW-SCRDCRAPSA-L FMNH2(2-) Chemical compound [O-]P(=O)([O-])OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2NC2=C1NC(=O)NC2=O YTNIXZGTHTVJBW-SCRDCRAPSA-L 0.000 description 2
- MBMLMWLHJBBADN-UHFFFAOYSA-N Ferrous sulfide Chemical compound [Fe]=S MBMLMWLHJBBADN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108010025885 Glycerol dehydratase Proteins 0.000 description 2
- 102000005298 Iron-Sulfur Proteins Human genes 0.000 description 2
- 108010081409 Iron-Sulfur Proteins Proteins 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108010065027 Propanediol Dehydratase Proteins 0.000 description 2
- AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N Riboflavin Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N 0.000 description 2
- IVYMZZDADZCQLN-NQNBQJKNSA-N S-[2-[3-[[(2R)-4-[[[(2R,3S,4R,5R)-5-(6-aminopurin-9-yl)-4-hydroxy-3-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-hydroxyphosphoryl]oxy-2-hydroxy-3,3-dimethylbutanoyl]amino]propanoylamino]ethyl] 4-hydroxy-2-oxopentanethioate Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C(=O)CC(O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 IVYMZZDADZCQLN-NQNBQJKNSA-N 0.000 description 2
- LOWDQRQCDWPARB-XMWLYHNJSA-N S-[2-[3-[[(2R)-4-[[[(2R,3S,4R,5R)-5-(6-aminopurin-9-yl)-4-hydroxy-3-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-hydroxyphosphoryl]oxy-2-hydroxy-3,3-dimethylbutanoyl]amino]propanoylamino]ethyl] 4-hydroxypent-2-enethioate Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C=CC(O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 LOWDQRQCDWPARB-XMWLYHNJSA-N 0.000 description 2
- RXMLTAKYZUDGPA-ZMHDXICWSA-N S-[2-[3-[[(2R)-4-[[[(2R,3S,4R,5R)-5-(6-aminopurin-9-yl)-4-hydroxy-3-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-hydroxyphosphoryl]oxy-2-hydroxy-3,3-dimethylbutanoyl]amino]propanoylamino]ethyl] 4-oxopent-2-enethioate Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C=CC(=O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 RXMLTAKYZUDGPA-ZMHDXICWSA-N 0.000 description 2
- 241000235060 Scheffersomyces stipitis Species 0.000 description 2
- 102000005488 Thioesterase Human genes 0.000 description 2
- 229930003779 Vitamin B12 Natural products 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- IKHGUXGNUITLKF-XPULMUKRSA-N acetaldehyde Chemical compound [14CH]([14CH3])=O IKHGUXGNUITLKF-XPULMUKRSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 2
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000011942 biocatalyst Substances 0.000 description 2
- 230000002210 biocatalytic effect Effects 0.000 description 2
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical group 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- FDJOLVPMNUYSCM-WZHZPDAFSA-L cobalt(3+);[(2r,3s,4r,5s)-5-(5,6-dimethylbenzimidazol-1-yl)-4-hydroxy-2-(hydroxymethyl)oxolan-3-yl] [(2r)-1-[3-[(1r,2r,3r,4z,7s,9z,12s,13s,14z,17s,18s,19r)-2,13,18-tris(2-amino-2-oxoethyl)-7,12,17-tris(3-amino-3-oxopropyl)-3,5,8,8,13,15,18,19-octamethyl-2 Chemical compound [Co+3].N#[C-].N([C@@H]([C@]1(C)[N-]\C([C@H]([C@@]1(CC(N)=O)C)CCC(N)=O)=C(\C)/C1=N/C([C@H]([C@@]1(CC(N)=O)C)CCC(N)=O)=C\C1=N\C([C@H](C1(C)C)CCC(N)=O)=C/1C)[C@@H]2CC(N)=O)=C\1[C@]2(C)CCC(=O)NC[C@@H](C)OP([O-])(=O)O[C@H]1[C@@H](O)[C@@H](N2C3=CC(C)=C(C)C=C3N=C2)O[C@@H]1CO FDJOLVPMNUYSCM-WZHZPDAFSA-L 0.000 description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002816 fuel additive Substances 0.000 description 2
- 108010083554 fumarase C Proteins 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001261 hydroxy acids Chemical class 0.000 description 2
- 238000000126 in silico method Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229940049920 malate Drugs 0.000 description 2
- BJEPYKJPYRNKOW-UHFFFAOYSA-N malic acid Chemical compound OC(=O)C(O)CC(O)=O BJEPYKJPYRNKOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229960003966 nicotinamide Drugs 0.000 description 2
- 235000005152 nicotinamide Nutrition 0.000 description 2
- 239000011570 nicotinamide Substances 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 108010053796 oxaloacetate tautomerase Proteins 0.000 description 2
- 150000005602 pentanoic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 235000019833 protease Nutrition 0.000 description 2
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 229940095064 tartrate Drugs 0.000 description 2
- 108020002982 thioesterase Proteins 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000011715 vitamin B12 Substances 0.000 description 2
- 235000019163 vitamin B12 Nutrition 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- HFKQINMYQUXOCH-GSVOUGTGSA-N (4r)-4-hydroxy-2-oxopentanoic acid Chemical compound C[C@@H](O)CC(=O)C(O)=O HFKQINMYQUXOCH-GSVOUGTGSA-N 0.000 description 1
- SUOCJCZSKFWWLQ-VKHMYHEASA-N (4s)-4-hydroxy-3-oxopentanoic acid Chemical compound C[C@H](O)C(=O)CC(O)=O SUOCJCZSKFWWLQ-VKHMYHEASA-N 0.000 description 1
- JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 2-methyltetrahydrofuran Chemical compound CC1CCCO1 JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BJRMBXPQAMDCMG-CMJQBAFXSA-N 20-hydroxy-leukotriene E4 Chemical compound OC(=O)CCC[C@H](O)[C@H](SC[C@H](N)C(O)=O)\C=C\C=C\C=C/C\C=C/CCCCCO BJRMBXPQAMDCMG-CMJQBAFXSA-N 0.000 description 1
- IQZHXDCQZNRIRW-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxy-4-oxopentanoic acid Chemical compound CC(=O)C(O)CC(O)=O IQZHXDCQZNRIRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FHSAZOGISLHXPK-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxyoxan-2-one Chemical compound OC1CCCOC1=O FHSAZOGISLHXPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BAMBWCGEVIAQBF-CITAKDKDSA-N 4-hydroxybutyryl-CoA Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)CCCO)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 BAMBWCGEVIAQBF-CITAKDKDSA-N 0.000 description 1
- NOEGNKMFWQHSLB-UHFFFAOYSA-N 5-hydroxymethylfurfural Chemical compound OCC1=CC=C(C=O)O1 NOEGNKMFWQHSLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BXEJOKIIZFHEMK-UHFFFAOYSA-N 5-methyloxolan-2-one Chemical compound CC1CCC(=O)O1.CC1CCC(=O)O1 BXEJOKIIZFHEMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010009924 Aconitate hydratase Proteins 0.000 description 1
- 102000009836 Aconitate hydratase Human genes 0.000 description 1
- 108010021809 Alcohol dehydrogenase Proteins 0.000 description 1
- 102000007698 Alcohol dehydrogenase Human genes 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108700023418 Amidases Proteins 0.000 description 1
- 108090000531 Amidohydrolases Proteins 0.000 description 1
- 102000004092 Amidohydrolases Human genes 0.000 description 1
- 241000203069 Archaea Species 0.000 description 1
- 108010063172 Aspartate dehydrogenase Proteins 0.000 description 1
- 102000040350 B family Human genes 0.000 description 1
- 108091072128 B family Proteins 0.000 description 1
- 241000194110 Bacillus sp. (in: Bacteria) Species 0.000 description 1
- 108010051152 Carboxylesterase Proteins 0.000 description 1
- 102000013392 Carboxylesterase Human genes 0.000 description 1
- 241000123346 Chrysosporium Species 0.000 description 1
- 241000123350 Chrysosporium sp. Species 0.000 description 1
- 108010001539 D-lactate dehydrogenase Proteins 0.000 description 1
- 102100023319 Dihydrolipoyl dehydrogenase, mitochondrial Human genes 0.000 description 1
- 108700016168 Dihydroxy-acid dehydratases Proteins 0.000 description 1
- VKOUCJUTMGHNOR-UHFFFAOYSA-N Diphenolic acid Chemical compound C=1C=C(O)C=CC=1C(CCC(O)=O)(C)C1=CC=C(O)C=C1 VKOUCJUTMGHNOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000206602 Eukaryota Species 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-OWOJBTEDSA-N Fumaric acid Chemical compound OC(=O)\C=C\C(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-OWOJBTEDSA-N 0.000 description 1
- 108091022917 Gluconate dehydratase Proteins 0.000 description 1
- 102000016901 Glutamate dehydrogenase Human genes 0.000 description 1
- 108700023156 Glutamate dehydrogenases Proteins 0.000 description 1
- 241000590002 Helicobacter pylori Species 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CKLJMWTZIZZHCS-REOHCLBHSA-N L-aspartic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CC(O)=O CKLJMWTZIZZHCS-REOHCLBHSA-N 0.000 description 1
- 102000003855 L-lactate dehydrogenase Human genes 0.000 description 1
- 108700023483 L-lactate dehydrogenases Proteins 0.000 description 1
- 239000002841 Lewis acid Substances 0.000 description 1
- 102000003960 Ligases Human genes 0.000 description 1
- 108090000364 Ligases Proteins 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010026217 Malate Dehydrogenase Proteins 0.000 description 1
- 241000196322 Marchantia Species 0.000 description 1
- 102000002247 NADPH Dehydrogenase Human genes 0.000 description 1
- 108010014870 NADPH Dehydrogenase Proteins 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical class CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108091000080 Phosphotransferase Proteins 0.000 description 1
- 241000235061 Pichia sp. Species 0.000 description 1
- 229920002319 Poly(methyl acrylate) Polymers 0.000 description 1
- QOSMNYMQXIVWKY-UHFFFAOYSA-N Propyl levulinate Chemical compound CCCOC(=O)CCC(C)=O QOSMNYMQXIVWKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000589516 Pseudomonas Species 0.000 description 1
- 241000589776 Pseudomonas putida Species 0.000 description 1
- 241000320117 Pseudomonas putida KT2440 Species 0.000 description 1
- 241000589774 Pseudomonas sp. Species 0.000 description 1
- 241000589615 Pseudomonas syringae Species 0.000 description 1
- 102000004879 Racemases and epimerases Human genes 0.000 description 1
- 108090001066 Racemases and epimerases Proteins 0.000 description 1
- 241000235070 Saccharomyces Species 0.000 description 1
- 239000002262 Schiff base Substances 0.000 description 1
- 150000004753 Schiff bases Chemical class 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 1
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 description 1
- 101710117107 UDP-N-acetylglucosamine 4,6-dehydratase (inverting) Proteins 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 108010081577 aldehyde dehydrogenase (NAD(P)+) Proteins 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 150000004716 alpha keto acids Chemical class 0.000 description 1
- 102000005922 amidase Human genes 0.000 description 1
- 229940024606 amino acid Drugs 0.000 description 1
- 230000037354 amino acid metabolism Effects 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 1
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 1
- 239000002246 antineoplastic agent Substances 0.000 description 1
- 229940054051 antipsychotic indole derivative Drugs 0.000 description 1
- 229940009098 aspartate Drugs 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 238000010364 biochemical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005842 biochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000005465 channeling Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000012069 chiral reagent Substances 0.000 description 1
- 235000019504 cigarettes Nutrition 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000006114 decarboxylation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010791 domestic waste Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000000796 flavoring agent Substances 0.000 description 1
- 235000019634 flavors Nutrition 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 150000002240 furans Chemical class 0.000 description 1
- 229940083124 ganglion-blocking antiadrenergic secondary and tertiary amines Drugs 0.000 description 1
- 150000003278 haem Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229940037467 helicobacter pylori Drugs 0.000 description 1
- 230000002363 herbicidal effect Effects 0.000 description 1
- 239000004009 herbicide Substances 0.000 description 1
- 239000002638 heterogeneous catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000002815 homogeneous catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000000413 hydrolysate Substances 0.000 description 1
- RJGBSYZFOCAGQY-UHFFFAOYSA-N hydroxymethylfurfural Natural products COC1=CC=C(C=O)O1 RJGBSYZFOCAGQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002475 indoles Chemical class 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- BKWBIMSGEOYWCJ-UHFFFAOYSA-L iron;iron(2+);sulfanide Chemical compound [SH-].[SH-].[Fe].[Fe+2] BKWBIMSGEOYWCJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 150000003951 lactams Chemical class 0.000 description 1
- 150000007517 lewis acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000037356 lipid metabolism Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004895 liquid chromatography mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 125000003588 lysine group Chemical group [H]N([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(N([H])[H])C(*)=O 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 230000009456 molecular mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 1
- BOPGDPNILDQYTO-NNYOXOHSSA-N nicotinamide-adenine dinucleotide Chemical compound C1=CCC(C(=O)N)=CN1[C@H]1[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]2[C@H]([C@@H](O)[C@@H](O2)N2C3=NC=NC(N)=C3N=C2)O)O1 BOPGDPNILDQYTO-NNYOXOHSSA-N 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- OLYUSKJHJHSMGA-UHFFFAOYSA-N oxane-2,3-dione Chemical compound O=C1CCCOC1=O OLYUSKJHJHSMGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005895 oxidative decarboxylation reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- GLOBUAZSRIOKLN-UHFFFAOYSA-N pentane-1,4-diol Chemical compound CC(O)CCCO GLOBUAZSRIOKLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 125000000951 phenoxy group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(O*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 125000002467 phosphate group Chemical group [H]OP(=O)(O[H])O[*] 0.000 description 1
- 108010038136 phospho-2-keto-3-deoxy-gluconate aldolase Proteins 0.000 description 1
- XGAWKWCCTIEGRI-UHFFFAOYSA-N phosphono 4-hydroxybutanoate Chemical compound OCCCC(=O)OP(O)(O)=O XGAWKWCCTIEGRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RPDWJEBEIJTWLW-UHFFFAOYSA-N phosphono 4-hydroxypentanoate Chemical compound CC(O)CCC(=O)OP(O)(O)=O RPDWJEBEIJTWLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000020233 phosphotransferase Human genes 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 239000008057 potassium phosphate buffer Substances 0.000 description 1
- 150000003138 primary alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000003141 primary amines Chemical class 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 125000001436 propyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- HNJBEVLQSNELDL-UHFFFAOYSA-N pyrrolidin-2-one Chemical compound O=C1CCCN1 HNJBEVLQSNELDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004040 pyrrolidinones Chemical class 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000018612 quorum sensing Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGYLKXICOWIRNH-XMWLYHNJSA-N s-[2-[3-[[(2r)-4-[[[(2r,3s,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-4-hydroxy-3-phosphonooxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-hydroxyphosphoryl]oxy-2-hydroxy-3,3-dimethylbutanoyl]amino]propanoylamino]ethyl] 4-hydroxypentanethioate Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)CCC(O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 WGYLKXICOWIRNH-XMWLYHNJSA-N 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 238000011915 stereoselective alkylation Methods 0.000 description 1
- 230000003335 steric effect Effects 0.000 description 1
- 239000010907 stover Substances 0.000 description 1
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 1
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 description 1
- 150000003509 tertiary alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 125000000383 tetramethylene group Chemical group [H]C([H])([*:1])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N trans-butenedioic acid Natural products OC(=O)C=CC(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N tris Chemical compound OCC(N)(CO)CO LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940005605 valeric acid Drugs 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
- 150000007934 α,β-unsaturated carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ПРИОРИТЕТA PRIORITY
[0001] Настоящая заявка заявляет приоритет по предварительной заявке США № 61/378199, поданной 30 августа 2010 года, которая включена в данный документ ссылкой.[0001] This application claims priority over US Provisional Application No. 61/378199, filed August 30, 2010, which is incorporated herein by reference.
ПРЕДПОСЫЛКИBACKGROUND
[0002] Левулиновая кислота или 4-оксопентановая кислота представляет собой органическое соединение с формулой CH3C(O)CH2CH2CO2H. Это – кетокислота. Левулиновую кислоту, как правило, получают химически, например, путем нагревания сахарозы с концентрированной соляной кислотой. Процесс протекает через промежуточное образование глюкозы, которая изомеризуется во фруктозу и затем гидроксиметилфурфурол. [0002] Levulinic acid or 4-oxopentanoic acid is an organic compound with the formula CH 3 C(O)CH 2 CH 2 CO 2 H. It is a keto acid. Levulinic acid is usually obtained chemically, for example by heating sucrose with concentrated hydrochloric acid. The process proceeds through the intermediate formation of glucose, which isomerizes into fructose and then hydroxymethylfurfural.
Левулиновая кислота представляет собой потенциальный предшественник для нейлоноподобных полимеров, синтетических каучуков и пластмасс. Левулиновая кислота представляет собой универсальный синтетический промежуточный продукт, например, в синтезе фармацевтических препаратов, и является предшественником в промышленном производстве других химических продуктов, таких как метилтетрагидрофуран, валеролактон и этиллевулинат.Levulinic acid is a potential precursor for nylon-like polymers, synthetic rubbers and plastics. Levulinic acid is a versatile synthetic intermediate, for example in the synthesis of pharmaceuticals, and is a precursor in the industrial production of other chemicals such as methyltetrahydrofuran, valerolactone, and ethyllevulinate.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION
[0003] В определенных аспектах и вариантах осуществления настоящее изобретение обеспечивает химический путь для превращения пирувата, получаемого из сахаров или других углеродных источников, в ценные C5 материалы, такие как левулиновая кислота. Типичные C5 соединения показаны на Фигурах 1 и 2. При применении с сахарами в качестве углеродного источника ключом к данному пути является превращение C6 сахаров (таких как, без ограничения, глюкоза, фруктоза, галактоза) и/или C5 сахаров (таких как, без ограничения, ксилоза, арабиноза) в пируват, а затем превращение пирувата в одно или несколько ценных C5 соединений посредством химических или биохимических реакций альдольного присоединения, окисления, восстановления, дегидратации и циклизации. При применении с другим углеродным источником, таким как, без ограничения, жирные кислоты и глицерин, углеродный источник сначала превращают в пируват, а затем превращают в одно или несколько ценных C5 соединений, которые включают линейные C5 кетокислоты или сложные эфиры, или их циклизированные производные следующей общей формулы: C5C4(X)C3C2(Y)C1(=O)(Z), где X представляет собой либо гидроксильный, либо кетоновый кислород, Y представляет собой либо водород, либо гидроксильный или кетоновый кислород, связь между C3 и C2 углеродами является либо одинарной, либо двойной (например, насыщенной или ненасыщенной), и Z представляет собой алкокси, сульфидную или феноксигруппу с тем, чтобы получить функциональную группу либо сложного эфира, либо сложного тиоэфира, либо карбоновой кислоты. В некоторых вариантах осуществления C5 соединение представляет собой C5C4(O1)C3C2(Y)C1(=O)(O1), где индекс “O1” означает один и тот же кислородный атом так, что образуется циклический сложный эфир или лактон, и Y представляет собой либо водород, либо гидроксильный или кетоновый кислород. Все другие атомные валентности или связи, как предполагается, заняты водородными атомами, если ранее не указано иное.[0003] In certain aspects and embodiments, the present invention provides a chemical route for converting pyruvate derived from sugars or other carbon sources into valuable C5 materials such as levulinic acid. Exemplary C5 compounds are shown in Figures 1 and 2. When used with sugars as the carbon source, the key to this pathway is the conversion of C6 sugars (such as, but not limited to, glucose, fructose, galactose) and/or C5 sugars (such as, but not limited to , xylose, arabinose) to pyruvate, and then the conversion of pyruvate to one or more valuable C5 compounds through chemical or biochemical reactions of aldol addition, oxidation, reduction, dehydration and cyclization. When used with another carbon source, such as, but not limited to, fatty acids and glycerol, the carbon source is first converted to pyruvate and then converted to one or more valuable C5 compounds that include linear C5 keto acids or esters, or their cyclized derivatives of the following of the general formula: C 5 C 4 (X)C 3 C 2 (Y)C 1 (=O)(Z), where X is either hydroxyl or ketone oxygen, Y is either hydrogen, or hydroxyl or ketone oxygen, the bond between the C3 and C2 carbons is either single or double (eg saturated or unsaturated) and Z is an alkoxy, sulfide or phenoxy group so as to give either an ester or thioester or carboxylic acid functional group. In some embodiments, the C5 compound is C 5 C 4 (O 1 )C 3 C 2 (Y)C 1 (=O)(O 1 ), where the index “O 1 ” is the same oxygen atom, such that a cyclic ester or lactone is formed and Y is either hydrogen or hydroxyl or ketone oxygen. All other atomic valences or bonds are assumed to be occupied by hydrogen atoms unless otherwise noted.
[0004] В одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ создания соединения, которое представляет собой C5 кетокислоту или сложный эфир или C5 гидроксикислоту или сложный эфир или их циклическое производное. Способ включает превращение пирувата в C5 промежуточный продукт путем альдольного присоединения и превращение C5 промежуточного продукта в указанное соединение посредством химических или ферментативных этапов или их комбинации. В определенных вариантах осуществления C5 соединение имеет общую формулу C5C4(X)C3C2(Y)C1(=O)(Z) или C5C4(O1)C3C2(Y)C1(=O)(O1), которые описаны выше. В определенных вариантах осуществления соединение получают из 5-углеродного и/или 6-углеродного сахаров или сырья, подходящего в качестве углеродного источника для микробного хозяина. В этих вариантах осуществления способ включает образование пирувата из сахара или сырья (например, с помощью микробного хозяина) и альдольное присоединение ацетилальдегида к пирувату (например, в микробном хозяине или в бесклеточной системе) с получением, таким образом, 5-углеродной кетокислоты в качестве промежуточного продукта для получения желаемого C5 соединения. Ацетилальдегид для альдольного присоединения можно получить декарбоксилированием пирувата в микробном хозяине. Продукт альдольного присоединения может быть дополнительно подвержен одной или нескольким реакциям восстановления, окисления, дегидратации, переноса группы, гидролиза и/или лактонизации (например, каждая независимо в микробном хозяине или бесклеточной системе) с получением желаемого C5 продукта. [0004] In one aspect, the present invention provides a process for making a compound that is a C5 keto acid or ester, or a C5 hydroxy acid or ester, or a cyclic derivative thereof. The method includes converting pyruvate to a C5 intermediate by aldol addition and converting the C5 intermediate to said compound by chemical or enzymatic steps, or a combination thereof. In certain embodiments, the C5 compound has the general formula C 5 C 4 (X)C 3 C 2 (Y)C 1 (=O)(Z) or C 5 C 4 (O 1 )C 3 C 2 (Y)C 1 (=O)(O 1 ), which are described above. In certain embodiments, the compound is obtained from 5-carbon and/or 6-carbon sugars or a feedstock suitable as a carbon source for the microbial host. In these embodiments, the method includes generating pyruvate from a sugar or feedstock (e.g., via a microbial host) and aldol addition of acetylaldehyde to pyruvate (e.g., in a microbial host or in a cell-free system), thereby producing a 5-carbon keto acid as an intermediate. product to obtain the desired C5 compound. Acetylaldehyde for aldol addition can be obtained by decarboxylation of pyruvate in a microbial host. The aldol addition product may further undergo one or more reduction, oxidation, dehydration, group transfer, hydrolysis, and/or lactonization reactions (eg, each independently in a microbial host or cell-free system) to produce the desired C5 product.
[0005] Такие продукты можно применять в качестве структурных элементов для получения коммерчески ценных химических веществ и топлив. Например, лактоны, такие как 2-оксовалеролактон (соединение L7 на Фиг. 2), 2-гидроксивалеролактон (соединение L6 на Фиг. 2), ангеликалактоны (соединение L2, L3 и L10 на Фиг. 2) и 4-валеролактон (γ-валеролактон, соединение L1 на Фиг.2) можно применять в качестве растворителя. Ангеликалактон и 4-валеролактон также можно превратить химически в метиленметилбутиролактон (MeMBL) (смотри, например, WO/2006/015023, WO/2006/015024 касательно способов катализа этого превращения). Метиленметилбутиролактон можно применять в качестве мономера или сополимера для увеличения термической устойчивости полиметилакрилатных (PMMA) полимеров, широко применяемых в электронике и сферах применения, связанных с двигателем внутреннего сгорания, или для производства полимеров в целом (таких как Poly(MeMBL), смотри, например, WO/2005/028529). К тому же, 4-валеролактон можно превращать с помощью химического катализа в валериановую кислоту и, дополнительно, в валератные сложные эфиры, а также изомерные бутены, бутадиен и другие алкены, включая алкены с восемью углеродами или более, как рассмотрено в Bozell J., Connecting Biomass petroleum Processing with a chemical bridge, Science 329:522-523 (2010). Левулиновую кислоту (соединение P1 на Фиг. 1) можно превратить в 1,4-пентандиол и дифеноловую кислоту, оба из которых можно применять для производства полимеров. δ-амминолевулиновая кислота (производное из левулиновой кислоты) представляет собой гербицид с оценочным спросом свыше 300 фунтов в год. Более того, левулиновую кислоту можно превратить в пирролидоны (WO/2004/085048), пирролидинoн (WO/2010/065833, WO/2004/085390, WO/2004/085349, WO/2004/084633), ангеликалактон (WO/2005/097723), 4-валеролактон и 2-метил-THF, которые являются конечными продуктами, или их можно дополнительно преобразовывать в другие соединения с различными полезными свойствами, такие как анионные жидкости (WO/2010/065833), биотоплива и топливные присадки. Левулиновую кислоту можно дополнительно использовать в качестве материала для батарей (например, патентный документ JP09190820), красок (патентный документ US5769929), покрытий (патентный документ JP06280041), антикоррозийных покрытий (патентный документ EP496555). Левулиновые сложные эфиры (или левулинатные сложные эфиры, соединения P9 на Фиг.1) представляют собой собственно полимерные структурные элементы, и после преобразования в кетали (патентный документ US 2008/0242721) и их можно также применять в качестве топливных присадок (как описано в патенте США 7153996, который включен в данный документ ссылкой в его полном объеме). К тому же, левулиновые сложные эфиры можно применять в продуктах личной гигиены (например, японский патент JP 05320023), поверхностно-активных веществах и смазочных средствах (патентный документ EP 882745), абсорбентах (смотри WO/1998/9843684). Все справочные материалы, упомянутые в этом абзаце, включены в данный документ ссылкой.[0005] Such products can be used as building blocks to produce commercially valuable chemicals and fuels. For example, lactones such as 2-oxovalerolactone (compound L7 in Fig. 2), 2-hydroxyvalerolactone (compound L6 in Fig. 2), angelicalactones (compound L2, L3 and L10 in Fig. 2) and 4-valerolactone (γ- valerolactone, compound L1 in figure 2) can be used as a solvent. Angelicalactone and 4-valerolactone can also be converted chemically to methylenemethylbutyrolactone (MeMBL) (see eg WO/2006/015023, WO/2006/015024 for methods to catalyze this conversion). Methylenemethylbutyrolactone can be used as a monomer or copolymer to increase the thermal stability of polymethyl acrylate (PMMA) polymers commonly used in electronics and internal combustion engine applications, or to produce polymers in general (such as Poly(MeMBL), see e.g. WO/2005/028529). In addition, 4-valerolactone can be converted by chemical catalysis to valeric acid and, additionally, to valerate esters, as well as isomeric butenes, butadiene and other alkenes, including alkenes with eight carbons or more, as discussed in Bozell J., Connecting Biomass petroleum Processing with a chemical bridge, Science 329:522-523 (2010). Levulinic acid (compound P1 in Fig. 1) can be converted to 1,4-pentanediol and diphenolic acid, both of which can be used to make polymers. δ-amminolevulic acid (a derivative of levulinic acid) is a herbicide with an estimated demand of over 300 pounds per year. Moreover, levulinic acid can be converted into pyrrolidones (WO/2004/085048), pyrrolidinone (WO/2010/065833, WO/2004/085390, WO/2004/085349, WO/2004/084633), angelicalactone (WO/2005/ 097723), 4-valerolactone and 2-methyl-THF, which are end products or can be further converted into other compounds with various useful properties such as anionic liquids (WO/2010/065833), biofuels and fuel additives. Levulinic acid can be further used as a material for batteries (for example, patent document JP09190820), paints (patent document US5769929), coatings (patent document JP06280041), anti-corrosion coatings (patent document EP496555). Levulinate esters (or levulinate esters, compounds P9 in Figure 1) are polymeric building blocks proper, and after conversion to ketals (patent document US 2008/0242721) and can also be used as fuel additives (as described in patent US 7,153,996, which is incorporated herein by reference in its entirety). In addition, levulinic esters can be used in personal care products (eg Japanese patent JP 05320023), surfactants and lubricants (patent document EP 882745), absorbents (see WO/1998/9843684). All reference materials mentioned in this paragraph are incorporated into this document by reference.
[0006] И левулиновую кислоту, и левулиновые сложные эфиры, и некоторые из лактонов, перечисленных на Фиг. 2, также можно применять в производстве фармацевтически активных ингредиентов и фармацевтических областях применения, некоторые из которых перечислены в Bozell J., Production of levulinic acid and use as a platform chemical for derived products, Resources, Conservation and Recycling 28:227-239 (2000). Например, в WO/1995/022524 сообщается о применении левулинатного метилового сложного эфира для синтеза новых индоловых производных, применяемых в качестве противоопухолевых средств. Левулиновую кислоту и 4-гидроксипентановую кислоту также можно применять в качестве хирального реагента с широким полем потенциальных областей применения (смотри, например, Meyers et al., Stereoselective alkylations in rigid systems. Effect of remote substituents on p-facial additions to lactam enolates. Stereoelectronic and steric effects, J. Am. Chem. Soc. 120:7429-7438 (1998). Фармацевтические области применения C5, полученных с помощью настоящего изобретения, могут включать применение бутиро- и валеро-лактоновых производных в качестве антибиотиков и средств, препятствующих образованию биопленок, посредством того, что они нарушают молекулярный механизм «чувства кворума» у бактерий (смотри, например, патентные документы EP 1716131 и WO/2006/117113). Дополнительные применения могут проистекать из биологически активного протоанемонима (соединение L4 на Фиг. 2). В довершение ко всему, левулиновую кислоту и сложные эфиры применяли в отношении продуктов питания, вкусовой добавки и ароматизаторов (патентный документ EP1533364), а также добавок во множестве потребительских товарах. Например, левулиновую кислоту применяют в качестве добавки в сигаретах (патентный документ WO/2010/051076). Все справочные материалы в данном абзаце включены в данный документ посредством ссылки.[0006] Both levulinic acid and levulinic esters and some of the lactones listed in FIG. 2 can also be used in the manufacture of pharmaceutically active ingredients and pharmaceutical applications, some of which are listed in Bozell J., Production of levulinic acid and use as a platform chemical for derived products, Resources, Conservation and Recycling 28:227-239 (2000 ). For example, WO/1995/022524 reports the use of the levulinate methyl ester for the synthesis of novel indole derivatives useful as anticancer agents. Levulinic acid and 4-hydroxypentanoic acid can also be used as a chiral reagent with a wide range of potential applications (see e.g. Meyers et al., Stereoselective alkylations in rigid systems. Effect of remote substituents on p-facial additions to lactam enolates. Stereoelectronic and steric effects, J. Am. Chem. Soc. 120:7429-7438 (1998) Pharmaceutical applications of the C5 produced by the present invention may include the use of butyro- and valero-lactone derivatives as antibiotics and anti-formation agents. biofilms, by interfering with the molecular mechanism of "quorum sensing" in bacteria (see, for example, patent documents EP 1716131 and WO/2006/117113) Additional applications may stem from the biologically active protoanemone (compound L4 in Fig. 2). To top it all off, levulinic acid and esters have been applied to food, flavor and aroma. congestion (patent document EP1533364), as well as additives in a variety of consumer products. For example, levulinic acid is used as an additive in cigarettes (patent document WO/2010/051076). All references in this paragraph are incorporated herein by reference.
[0007] В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает превращение пирувата в 4-валеролактон. В другом варианте осуществления способ включает превращение пирувата в левулиновую кислоту. В другом варианте осуществления способ включает превращение пирувата в левулиновые сложные эфиры (левулинаты), такие как, без ограничения, этиллевулинат и пропиллевулинат. В другом альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения способ включает превращение пирувата в ангеликалактон, альфа- и альфа’-ангеликалактоны. В еще одних вариантах осуществления способ включает превращение пирувата в 2,4-дигидроксипентановую кислоту или ее циклизированную форму, 2-гидрокси-4-валеролактон. В еще одном варианте осуществления способ включает превращение пирувата в 2-оксо-4-гидроксипентановую кислоту или ее циклизированную форму, 2-оксо-4-валеролактон.[0007] In certain embodiments, the implementation of the present invention, the method includes the conversion of pyruvate in 4-valerolactone. In another embodiment, the method includes converting pyruvate to levulinic acid. In another embodiment, the method includes converting pyruvate to levulinic esters (levulinates), such as, without limitation, ethyl levulinate and propyl levulinate. In another alternative embodiment of the present invention, the method comprises converting pyruvate to angelicalactone, alpha and alpha'-angelicalactones. In still other embodiments, the method includes converting pyruvate to 2,4-dihydroxypentanoic acid or its cyclized form, 2-hydroxy-4-valerolactone. In yet another embodiment, the method includes converting pyruvate to 2-oxo-4-hydroxypentanoic acid or its cyclized form, 2-oxo-4-valerolactone.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает множественные ферментативные этапы, объединённые в единый метаболический путь в эукариотическом, прокариотическом или archaea ферментирующем хозяине, включая, без ограничения, Saccharamyces sp., Pichia sp., Pseudomonas sp., Bacillus sp., Chrysosporium sp. и Escherichia coli. В этих и других вариантах осуществления способ включает один или несколько ферментативных этапов, проводимых в бесклеточной системе, или этапов химического катализа, или их комбинацию, при этом различные промежуточные продукты пути необязательно выделяют и/или очищают из ферментативного бульона, что необходимо для завершения процесса.In some embodiments of the present invention, the method includes multiple enzymatic steps combined into a single metabolic pathway in a eukaryotic, prokaryotic, or archaea fermenting host, including, without limitation, Saccharamyces sp., Pichia sp., Pseudomonas sp., Bacillus sp., Chrysosporium sp. and Escherichia coli. In these and other embodiments, the method includes one or more enzymatic steps carried out in a cell-free system, or chemical catalysis steps, or a combination thereof, wherein various pathway intermediates are optionally isolated and/or purified from the fermentation broth as necessary to complete the process.
[0008] Преимущество определенных вариантов осуществления настоящего изобретения в том, что они построены поверх основного метаболизма. Например, как C5, так и C6 метаболизм у эукариот, прокариот и archea может задействовать гликолиз для получения пирувата. Пируват представляет собой один из наиболее важных промежуточных продуктов основного метаболизма и помимо гликолиза может быть получен в результате метаболизма липидов, а также метаболизма аминокислот. Согласно способу настоящего изобретения берут пируват и превращают две молекулы пирувата в одну C5 молекулу, такую как левулиновая кислота и 4-валеролактон. В случае C6 сахаров выход углерода может составить до 80%. В случае C5 сахаров выход углерода теоретически может составить до 100%. Если в способе используют микробный штамм, способный к одновременному ферментированию C5 и C6, такой как, без ограничения, сконструированный Saccharomyces cerevisae и Pichia stipitis, то это делает возможным прямую ферментацию сахаров до левулиновой кислоты, 4-валеролактона или любого из C5 соединений, изображаемых на Фиг. 1 и Фиг. 2. Этот высокий достижимый выход представляет бесспорное промышленное преимущество по сравнению с альтернативными термохимическими способами получения левулиновой кислоты или гамма-валеролактона, в которых, как правило, получают молярные выходы 40% или менее.[0008] The advantage of certain embodiments of the present invention is that they are built on top of the main metabolism. For example, both C5 and C6 metabolism in eukaryotes, prokaryotes, and archea may involve glycolysis to produce pyruvate. Pyruvate is one of the most important basal metabolic intermediates and, in addition to glycolysis, can be obtained from lipid metabolism as well as amino acid metabolism. According to the method of the present invention, pyruvate is taken and two pyruvate molecules are converted into one C5 molecule such as levulinic acid and 4-valerolactone. In the case of C6 sugars, the carbon yield can be up to 80%. In the case of C5 sugars, the carbon yield could theoretically be up to 100%. If the method uses a microbial strain capable of simultaneously fermenting C5 and C6, such as, but not limited to, engineered by Saccharomyces cerevisae and Pichia stipitis, then this allows the direct fermentation of sugars to levulinic acid, 4-valerolactone, or any of the C5 compounds depicted in Fig. 1 and FIG. 2. This high achievable yield represents a distinct industrial advantage over alternative thermochemical processes for the production of levulinic acid or gamma-valerolactone, which typically yield molar yields of 40% or less.
[0009] В одном варианте осуществления настоящего изобретения в соответствии со способом превращают поток сахаров в одно или несколько из C5 соединений, перечисленных на Фигурах 1 и 2. В другом варианте осуществления крахмал применяют в качестве сырья для процесса. В другом варианте осуществления в соответствии со способом превращают лигноцеллюлозное сырье (включая, без ограничения, кукурузную солому, древесные стружки, бытовые отходы, отбросы целлюлозных и бумажных заводов) по меньшей мере в одно из C5 соединений, перечисленных на Фигурах 1 и 2. [0009] In one embodiment of the present invention, the process converts a stream of sugars into one or more of the C5 compounds listed in Figures 1 and 2. In another embodiment, starch is used as a feedstock to the process. In another embodiment, the method converts lignocellulosic feedstock (including, but not limited to, corn stover, wood chips, household waste, pulp and paper mill waste) into at least one of the C5 compounds listed in Figures 1 and 2.
[0010] В одном варианте осуществления настоящего изобретения в соответствии со способом превращают C6 сахара в одно или несколько из C5 соединений, перечисленных на Фигурах 1 и 2, предпочтительно в ферментирующих штаммах, высокоэффективных при потреблении и ферментировании C6 сахаров, таких как, без ограничения, Saccharomyces cerevisiae, штамм Cargill CB1 (как описано в WO/2007/106524), Pseudomonas, Chrysosporium и Escherichia coli (E.coli). В другом варианте осуществления настоящего изобретения в соответствии со способом превращают C5 сахара в одно или несколько из C5 соединений, перечисленных на Фигурах 1 и 2, предпочтительно в ферментирующих штаммах, высокоэффективных при потреблении и ферментировании C5 сахаров, таких как, без ограничения, сконструированные Saccharomyces cerevisiae и Pichia stipitis. В варианте осуществления настоящего изобретения в соответствии со способом одновременно превращают C5 и C6 сахара в C5 соединение, предпочтительно в ферментирующих штаммах, высокоэффективных при потреблении и ферментировании как C5, так и C6 сахаров (например, Saccharomyces cerevisiae). В другом варианте осуществления настоящего изобретения ферментирующие штаммы демонстрируют высокий уровень устойчивости к ингибиторам гидролизата биомассы, таким как, без ограничения, фураны, и к низкому pH или среде с высоким титром органической кислоты.[0010] In one embodiment of the present invention, the method converts C6 sugars to one or more of the C5 compounds listed in Figures 1 and 2, preferably in fermentation strains highly efficient at consuming and fermenting C6 sugars, such as, without limitation, Saccharomyces cerevisiae, strain Cargill CB1 (as described in WO/2007/106524), Pseudomonas, Chrysosporium and Escherichia coli (E. coli). In another embodiment of the present invention, the method converts C5 sugars to one or more of the C5 compounds listed in Figures 1 and 2, preferably in fermentation strains highly efficient at consuming and fermenting C5 sugars, such as, but not limited to, those engineered by Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis. In an embodiment of the present invention, the method simultaneously converts C5 and C6 sugars to a C5 compound, preferably in fermentation strains highly efficient at consuming and fermenting both C5 and C6 sugars (eg Saccharomyces cerevisiae). In another embodiment of the present invention, the fermentation strains exhibit a high level of resistance to biomass hydrolysate inhibitors, such as, but not limited to, furans, and to low pH or high organic acid titer environments.
[0011] В определенных вариантах осуществления сырье содержит один или несколько C6 сахаров, выбранных из аллозы, альтрозы, глюкозы, маннозы, гулозы, идозы, талозы, галактозы, фруктозы, псикозы, сорбозы и тагатозы. В этих или других вариантах осуществления сырье содержит один или несколько C5 сахаров, выбранных из ксилозы, арабинозы, рибозы, ликсозы, ксилулозы и рибулозы.[0011] In certain embodiments, the feed contains one or more C6 sugars selected from allose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, talose, galactose, fructose, psicose, sorbose, and tagatose. In these or other embodiments, the feed contains one or more C5 sugars selected from xylose, arabinose, ribose, lyxose, xylulose, and ribulose.
[0012] Если способ настоящего изобретения применяют для превращения C5 и C6 сахаров в 4-гидроксипентановую кислоту или 4-валеролактон, путь конструируют так, чтобы он был редокс (восстановление-окисление) уравновешенным: два восстановительных эквивалента (образование NAD(P)H) образуются во время гликолиза с выходом пирувата (одна молекула глюкозы к двум молекулам пирувата) и два восстанавительных эквивалента расходуются (образование NAD(P)) в дальнейшем процессе от пирувата до 4-гидроксипентановой кислоты или 4-валеролактона (γ-валеролактона). Тот факт, что этот путь является редокс-уравновешенным в отношении образования этих двух молекул, даст в результате оптимизированное превращение в случае ферментационного процесса и снизит или устранит потребность дополнительного конструирования ферментирующего хозяина для противодействия неуравновешенности. В том, что касается ферментации сахаров непосредственно во все другие соединения или структурные элементы (Фиг. 1), ферментирующий хозяин будет зависеть от отдельных побочных реакций для уравновешивания пути или внешнего источника редокс-эквивалента, подходящего для уравновешивания пути.[0012] If the method of the present invention is used to convert C5 and C6 sugars to 4-hydroxypentanoic acid or 4-valerolactone, the pathway is designed to be redox (reduction-oxidation) balanced: two reducing equivalents (formation of NAD(P)H) are formed during glycolysis with the release of pyruvate (one molecule of glucose to two molecules of pyruvate) and two reducing equivalents are consumed (formation of NAD(P)) in the further process from pyruvate to 4-hydroxypentanoic acid or 4-valerolactone (γ-valerolactone). The fact that this pathway is redox balanced with respect to the formation of these two molecules will result in an optimized conversion in the event of a fermentation process and will reduce or eliminate the need for additional fermentation host design to counter the imbalance. With respect to the fermentation of sugars directly into all other compounds or building blocks (FIG. 1), the fermenting host will depend on individual side reactions to balance the pathway or an external source of redox equivalent suitable to balance the pathway.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHICS
[0013] На Фигуре 1 показаны молекулярные формулы для левулиновой кислоты (соединение P1 на Фиг. 1), а также ценные производные, которые могут быть получены на различных этапах в пути и в различных вариантах осуществления процессов, описанных в настоящем документе (соединения P1 - P16 на Фиг. 1).[0013] Figure 1 shows the molecular formulas for levulinic acid (compound P1 in Figure 1), as well as valuable derivatives that can be obtained at various stages along the way and in various embodiments of the processes described herein (compounds P1 - P16 in Fig. 1).
[0014] На Фигуре 2 показаны молекулярные формулы для различных C5 лактонов, которые могут быть получены на различных этапах в пути в соответствии с различными вариантами осуществления способа (соединения L1 - L10).[0014] Figure 2 shows the molecular formulas for various C5 lactones that can be made at various stages along the route according to various process embodiments (compounds L1 - L10).
[0015] На Фигуре 3 приведен общий обзор биохимических процессов превращения пирувата в любое из C5 соединений Фиг 1 или Фиг. 2 с выделением определенных этапов. Некоторые возможные химические промежуточные продукты и субпути здесь не изображены. Смотри Фигуру 5 для более исчерпывающего изображения возможностей различных путей. [0015] Figure 3 provides an overview of the biochemical processes for converting pyruvate to any of the C5 compounds of Figure 1 or Figure. 2 highlighting certain stages. Some possible chemical intermediates and sub-routes are not shown here. See Figure 5 for a more comprehensive depiction of the possibilities of the various paths.
[0016] На Фигуре 4 приведен общий обзор биохимического пути и процессов в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения, где порядок этапов окисления/восстановления (соответствующих этапам 3 и 4 на Фиг. 3) инвертирован. Как и на Фиг. 3, некоторые возможные химические промежуточные продукты и субпути здесь не изображены. Смотри Фиг. 6 для более исчерпывающего изображения возможностей различных путей.[0016] Figure 4 provides an overview of the biochemical pathway and processes in accordance with certain embodiments of the present invention, where the order of the oxidation/reduction steps (corresponding to
[0017] На Фигуре 5 приведен общий обзор биохимического пути/процессов Фиг. 3, где этап 4 и этап 5 сокращены в один этап с применением окислительной дегидратазы.[0017] Figure 5 provides an overview of the biochemical pathway/processes of FIG. 3 where
[0018] На Фигуре 6 приведен детальный обзор биохимического пути/процессов превращения пирувата в любое из C5 соединений или структурных элементов Фиг. 1 или 2. Вдобавок к химическим этапам, изображаемым на Фиг. 3, 4 и 5, изображены различные циклические промежуточные продукты, которые могут быть получены в результате реакции циклизации из промежуточных продуктов от основного пути, а также химическое преобразование, которое ведет от циклических лактоновых промежуточных продуктов к различным C5 соединениям или структурным элементам. Дополнительно также представлены различные CoA промежуточные продукты, которые могут быть получены из промежуточных продуктов в основном пути. Путь можно использовать для производства левулинил-CoA, из которого могут быть легко получены либо левулиновая кислота и 4-валеролактон, либо левулинат и/или другие пентановые сложные эфиры, такие как 4-оксопентановый сложный эфир (соединение P9) на Фиг. 1.[0018] Figure 6 provides a detailed overview of the biochemical pathway/processes for converting pyruvate to any of the C5 compounds or building blocks of FIG. 1 or 2. In addition to the chemical steps depicted in FIG. 3, 4 and 5 depict the various cyclic intermediates that can result from the cyclization reaction from intermediates from the main route, as well as the chemical transformation that leads from cyclic lactone intermediates to various C5 compounds or building blocks. Additionally, various CoA intermediates are also provided that can be obtained from intermediates in the main pathway. The route can be used to produce levulinyl-CoA, from which either levulinic acid and 4-valerolactone, or levulinate and/or other pentane esters, such as 4-oxo-pentane ester (compound P9) in FIG. one.
[0019] На Фигуре 7 показан принцип получения левулиновых сложных эфиров (левулинатов) и левулиновой кислоты из промежуточного продукта левулинил-CoA посредством действия либо тиоэстеразы, либо трансферазы. Боковая цепь R может быть любой функциональной группой, такой как, без ограничения, метильная, этильная, пропильная, арильная, фенильная, нафтильная и другие ароматические группы, а также алкильная группа с кислородными и азотными заместителями, как, например, кетоны, первичные, вторичные и третичные спирты, первичные, вторичные и третичные амины и т.д.[0019] Figure 7 shows the principle of obtaining levulinic esters (levulinates) and levulinic acid from the levulinic-CoA intermediate by the action of either a thioesterase or a transferase. The side chain R can be any functional group such as, without limitation, methyl, ethyl, propyl, aryl, phenyl, naphthyl and other aromatic groups, as well as an alkyl group with oxygen and nitrogen substituents, such as ketones, primary, secondary and tertiary alcohols, primary, secondary and tertiary amines, etc.
[0020] На Фигуре 8 показаны кинетические кривые, полученные при вступлении в реакцию двух ферментов еноатредуктаз (номера доступа в Genbank AAA64522 и AAD16106, обозначенные 6001 и 6002 на Фигуре 8) с субстратом 4-оксо-2-пентеновая кислота (также известная как ацетилакриловая кислота, смотри соединение P2 на Фигуре 1) и субстратом циклогексенон в качестве контроля. Кривая, обозначенная “6001 ацето” и “6002 ацето”, демонстрирует активность белков в присутствии 100 мкM NADPH и субстрата 4-оксо-2-пентеновая кислота. Кривая, обозначенная “6001 цикло” и “6002 цикло”, демонстрирует активность белков в присутствии 100 мкM NADPH и субстрата циклогексенон. Отслеживается уменьшение поглощения при 340 нм, отображающее превращение NADPH в окисленную форму NADP+. Эта кривая демонстрирует превращение субстрата 4-оксо-2-пентеновая кислота в левулиновую кислоту (соединение P1 на Фигуре 1) с помощью обоих белков. Контрольные кривые (обозначенные “6001 буфер”, и “6002 буфер”, и “буфер цикло”, и “буфер ацето”) демонстрируют уменьшение поглощающей способности с субстратами отдельно в буфере или белками отдельно в буфере. Не обнаружено значимой активности при данных условиях. Все кривые получены в буфере на основе фосфата калия 100 мM, pH 7,0 и при комнатной температуре (25ºC). Начальная концентрация NADPH 100 мкM, начальная концентрация 4-оксо-2-пентеновой кислоты 100 мM, начальная концентрация циклогексенона 50 мM. Концентрация белка варьировала.[0020] Figure 8 shows the kinetic curves obtained by reacting two enoate reductase enzymes (Genbank accession numbers AAA64522 and AAD16106 designated 6001 and 6002 in Figure 8) with the substrate 4-oxo-2-pentenoic acid (also known as acetylacrylic acid). acid, see compound P2 in Figure 1) and cyclohexenone substrate as control. The curve labeled “6001 aceto” and “6002 aceto” demonstrates the activity of proteins in the presence of 100 μM NADPH and the substrate 4-oxo-2-pentenoic acid. The curve labeled “6001 cycles” and “6002 cycles” demonstrates the activity of the proteins in the presence of 100 μM NADPH and the substrate cyclohexenone. A decrease in absorbance at 340 nm is observed, reflecting the conversion of NADPH to the oxidized form of NADP+. This curve shows the conversion of the substrate 4-oxo-2-pentenoic acid to levulinic acid (compound P1 in Figure 1) by both proteins. The control curves (labeled "6001 buffer" and "6002 buffer" and "cyclo buffer" and "aceto buffer") show a decrease in absorbance with substrates alone in buffer or proteins alone in buffer. No significant activity was found under these conditions. All curves were obtained in 100 mM potassium phosphate buffer, pH 7.0 and at room temperature (25ºC). Initial concentration of
[0021] На Фигуре 9 продемонстрирована активность фермента альдолазы класса II из Pseudomonas putida, HpaI альдолазы (номер доступа в Genbank ADA63518) на субстратах ацетальдегид и пируват. Условия анализа были следующими: экспрессировали белок, и очистили на Ni из E. Coli, и ввели в реакцию со смесью ацетальдегида и пирувата при начальной концентрации 100 мг/мл, в Тris буфере, pH 8,0, дополненным 100 мM MnCl2. Белок и субстраты инкубировали при комнатной температуре на протяжении 30 мин. перед гашением посредством HCl и запуском в ВЭЖХ с полярной колонкой EPIC. На фигуре 9 показаны полученные кривые ВЭЖХ, при этом пики, соответствующие субстратам и продуктам, указаны на фигуре черной стрелкой. Химическая идентичность продукта, 4-гидрокси-2-оксопентановая кислота, была подтверждена LC/MS (данные не показаны). [0021] Figure 9 shows the activity of the class II aldolase enzyme from Pseudomonas putida, HpaI aldolase (Genbank accession number ADA63518) on the substrates acetaldehyde and pyruvate. Assay conditions were as follows: protein was expressed and purified for Ni from E. coli and reacted with a mixture of acetaldehyde and pyruvate at an initial concentration of 100 mg/ml, in Tris buffer, pH 8.0, supplemented with 100 mM MnCl 2 . Protein and substrates were incubated at room temperature for 30 min. before quenching with HCl and running on HPLC with a polar EPIC column. Figure 9 shows the resulting HPLC curves, with peaks corresponding to substrates and products indicated in the figure by a black arrow. The chemical identity of the product, 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid, was confirmed by LC/MS (data not shown).
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0022] В определенных аспектах и вариантах осуществления настоящее изобретение обеспечивает химический путь для превращения пирувата, получаемого из сахаров или других углеродных источников, в ценные C5 материалы, такие как левулиновая кислота. По сути, способ настоящего изобретения обеспечивает путь, который организован по меньшей мере в два этапа, и в некоторых вариантах осуществления 4-8 этапов, как, например, 7-8 этапов (смотри 8 основных этапов, изображаемых на Фиг. 3), с до 4 добавочными этапами циклизации промежуточных продуктов, полученных на всем протяжении пути. Присоединение промежуточного продукта на множественных стадиях к кoфермент A (CoA)-фрагменту позволяет пути привести к образованию CoA-промежуточных продуктов, таких как левулинил-CoA (смотри Фиг. 6). К тому же, четыре необязательных этапа могут привести к образованию циклизированных вариантов ключевых промежуточных продуктов в данном пути (смотри снова Фиг. 6).[0022] In certain aspects and embodiments, the present invention provides a chemical route for converting pyruvate derived from sugars or other carbon sources into valuable C5 materials such as levulinic acid. In essence, the method of the present invention provides a path that is organized into at least two stages, and in some embodiments 4-8 stages, such as 7-8 stages (see 8 main stages depicted in Fig. 3), with up to 4 additional cyclization steps of intermediates obtained along the way. Attaching the intermediate in multiple steps to the coenzyme A (CoA) moiety allows the pathway to lead to the formation of CoA intermediates such as levulinyl-CoA (see Fig. 6). In addition, four optional steps can lead to the formation of cyclized variants of key intermediates in this pathway (see again Figure 6).
[0023] В соответствии с различными вариантами осуществления первый этап представляет собой гликолиз, в котором сахара (например, из биомассы) превращаются в пируват, или, альтернативно, любое химическое превращение из сахаров в пируват. На втором этапе две молекулы пирувата превращаются в одну молекулу 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты и CO2. На необязательном этапе циклизации получают соответствующий лактон, 2-оксо-4-валеролактон. Необязательный этап присоединения CoA может привести к образованию 4-гидрокси-2-оксопентаноил-CoA. В третьем этапе 4-гидрокси-2-оксопентановая кислота восстанавливается до 2,4-дигидроксипентановой кислоты, или 4-гидрокси-2-оксопентаноил-CoA – до 2,4-дигидрокси-пентаноил-CoA, или 2-оксо-4-валеролактон – до 2-гидрокси-4-валеролактона. На необязательном этапе циклизации получают соответствующий лактон, 2-гидрокси-4-валеролактон, либо из 2,4-дигидроксипентановой кислоты, либо из 2,4-дигидрокси-пентаноил-CoA. Необязательный этап присоединения CoA приводит к образованию 2,4-дигидрокси-пентаноил-CoA из 2,4-дигидроксипентановой кислоты. На четвертом этапе 2,4-дигидроксипентановая кислота окисляется до 2-гидрокси-4-оксопентановой кислоты, или 2,4-дигидрокси-пентаноил-CoA – до 2-гидрокси-4-оксопентаноил-CoA. На необязательном этапе присоединения CoA 2-гидрокси-4-оксопентановая кислота превращается в 2-гидрокси-4-оксопентаноил-CoA. На пятом этапе 2-гидрокси-4-оксопентановая кислота дегидратируется до 4-оксо-2-пентеновой кислоты, или 2-гидрокси-4-оксопентаноил-CoA – до 4-оксо-2-пентеноил-CoA. На необязательном этапе присоединения CoA 4-оксо-2-пентеновая кислота превращается в 4-оксо-2-пентеноил-CoA. На необязательном этапе дополнительно 4-оксо-2-пентеновая кислота восстанавливается до 4-гидрокси-2-пентеновой кислоты, или 4-оксо-2-пентеновая кислота – до 4-гидрокси-2-пентеноил-CoA, оба из которых могут необязательно циклизироваться с образованием ангеликалактона. Другой необязательный этап присоединения CoA приводит к образованию 4-гидрокси-2-пентеноил-CoA из 4-гидрокси-2-пентеновой кислоты, который снова может необязательно циклизироваться с образованием ангеликалактона. Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения “сокращает” четвертый и пятый этап в один единый этап. На шестом этапе в результате образуется левулиновая кислота (4-гидроксипентановая кислота) путем восстановления 4-оксо-2-пентеновой кислоты сходным образом, как описывалось выше. На необязательном этапе кофермент A (CoA) присоединяется к левулиновой кислоте, что приводит к образованию левулинил-CoA. Левулинил-CoA может затем преобразовываться в разнообразные левулиновые сложные эфиры с помощью трансферазы, вступая в реакцию с подходящим спиртом. В некоторых вариантах осуществления на седьмом этапе левулиновая кислота дополнительно восстанавливается с образованием 4-гидроксипентановой кислоты. На восьмом этапе 4-гидроксипентановую кислоту циклизируют с выходом 4-валеролактона.[0023] According to various embodiments, the first step is glycolysis, in which sugars (eg, from biomass) are converted to pyruvate, or alternatively, any chemical conversion from sugars to pyruvate. In the second step, two pyruvate molecules are converted into one molecule of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid and CO 2 . An optional cyclization step gives the corresponding lactone, 2-oxo-4-valerolactone. An optional CoA addition step may result in the formation of 4-hydroxy-2-oxo-pentanoyl-CoA. In the third step, 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid is reduced to 2,4-dihydroxypentanoic acid, or 4-hydroxy-2-oxopentanoyl-CoA to 2,4-dihydroxy-pentanoyl-CoA, or 2-oxo-4-valerolactone – to 2-hydroxy-4-valerolactone. An optional cyclization step yields the corresponding lactone, 2-hydroxy-4-valerolactone, either from 2,4-dihydroxy-pentanoic acid or 2,4-dihydroxy-pentanoyl-CoA. An optional CoA addition step results in the formation of 2,4-dihydroxy-pentanoyl-CoA from 2,4-dihydroxy-pentanoic acid. At the fourth stage, 2,4-dihydroxypentanoic acid is oxidized to 2-hydroxy-4-oxopentanoic acid, or 2,4-dihydroxy-pentanoyl-CoA to 2-hydroxy-4-oxo-pentanoyl-CoA. In an optional CoA addition step, 2-hydroxy-4-oxopentanoic acid is converted to 2-hydroxy-4-oxo-pentanoyl-CoA. At the fifth stage, 2-hydroxy-4-oxopentanoic acid is dehydrated to 4-oxo-2-pentenoic acid, or 2-hydroxy-4-oxopentanoyl-CoA to 4-oxo-2-pentenoyl-CoA. In an optional CoA addition step, 4-oxo-2-pentenoic acid is converted to 4-oxo-2-pentenoyl-CoA. In an optional step, 4-oxo-2-pentenoic acid is further reduced to 4-hydroxy-2-pentenoic acid, or 4-oxo-2-pentenoic acid to 4-hydroxy-2-pentenoyl-CoA, both of which may optionally be cyclized with the formation of angelicalactone. Another optional CoA addition step results in the formation of 4-hydroxy-2-pentenoyl-CoA from 4-hydroxy-2-pentenoic acid, which can again optionally be cyclized to form angelicalactone. An alternative embodiment of the present invention "reduces" the fourth and fifth steps into one single step. In the sixth step, levulinic acid (4-hydroxypentanoic acid) is formed as a result by reduction of 4-oxo-2-pentenoic acid in a similar manner as described above. In an optional step, coenzyme A (CoA) is attached to levulinic acid, resulting in the formation of levulinyl-CoA. Levulinyl-CoA can then be converted to a variety of levulinic esters by transferase by reacting with the appropriate alcohol. In some embodiments, in the seventh step, levulinic acid is further reduced to form 4-hydroxypentanoic acid. In the eighth step, 4-hydroxypentanoic acid is cyclized to yield 4-valerolactone.
[0024] В определенных вариантах осуществления этапы 4 и 5 можно осуществлять за одно преобразование, окислительной дегидратацией. В другом варианте осуществления настоящего изобретения этапы 3 и 4 обращены порядком так, что 2-гидрокси-4-оксопентановая кислота первоначально окисляется до 2,4-диоксопентановой кислоты и затем восстанавливается до 2-оксо-4-гидроксипентановой кислоты, так что путь Фиг. 3 становится таким, как представлено на Фиг. 4. [0024] In certain embodiments,
[0025] В другом варианте осуществления настоящего изобретения этапы 3, 5 и 6 (Фиг. 3) проводят непосредственно на соответствующих лактонах L1, L2, L6, L7, L8, L9 и L10, где ответвление от линейных промежуточных продуктов, полученных изначально из пирувата и ацетальдегида, происходит на любом из этапов циклизации, описанных на Фигуре 6. Этот вариант осуществления настоящего изобретения можно применять либо для получения непосредственно лактонов, либо после гидролиза для получения обратно любого из соединений P1 - P16 (включая левулиновую кислоту). [0025] In another embodiment of the present invention, steps 3, 5 and 6 (Fig. 3) are carried out directly on the respective lactones L1, L2, L6, L7, L8, L9 and L10, where the offshoot from linear intermediates derived originally from pyruvate and acetaldehyde occurs in any of the cyclization steps described in Figure 6. This embodiment of the present invention can be used either to produce lactones directly or after hydrolysis to produce back any of the compounds P1 - P16 (including levulinic acid).
[0026] Еще в одном аспекте настоящего изобретения этапы 2, 3, 4, 5 и 6 (Фиг. 3) проводят на промежуточных продуктах CoA, где ответвление от линейных промежуточных продуктов, полученных изначально из пирувата и ацетальдегида, происходит на любом из этапов присоединения CoA, описанных в абзаце Фигуры 6. Этот вариант осуществления настоящего изобретения можно применять для получения любого из соединений P1 - P16 (включая левулиновую кислоту) с помощью тиоэстераз. Левулиновые сложные эфиры (P9) можно получить из левулинил-CoA и соответствующего спирта с помощью трансферазы. [0026] In yet another aspect of the present invention, steps 2, 3, 4, 5, and 6 (FIG. 3) are performed on CoA intermediates where branching from linear intermediates derived originally from pyruvate and acetaldehyde occurs in any of the addition steps. CoA described in the paragraph of Figure 6. This embodiment of the present invention can be used to obtain any of the compounds P1 - P16 (including levulinic acid) using thioesterases. Levulin esters (P9) can be prepared from levulinyl-CoA and the corresponding alcohol using a transferase.
Этап 1: превращение сахаров в пируватStep 1: Conversion of Sugars to Pyruvate
[0027] Превращение сахаров в пируват является частью хорошо исследованного метаболического пути, гликолиза. В гликолизе действие множества ферментов приводит к превращению каждой молекулы C6 сахара, такого как глюкоза, в две молекулы пирувата, две молекулы ATP и два восстановительных эквивалента в форме двух молекул NAD(P)H. [0027] The conversion of sugars to pyruvate is part of a well-studied metabolic pathway, glycolysis. In glycolysis, the action of many enzymes results in the conversion of each C6 sugar molecule, such as glucose, into two pyruvate molecules, two ATP molecules, and two reducing equivalents in the form of two NAD(P)H molecules.
[0028] В одном варианте осуществления настоящего изобретения пируват получают в результате гликолиза в ферментирующем организме и впоследствии применяют в дальнейшем пути в ферментирующем хозяине. В альтернативном варианте осуществления пируват выделяют из ферментативного бульона и потом обрабатывают в соответствии с дальнейшим путем.[0028] In one embodiment of the present invention, pyruvate is produced from glycolysis in the fermentation organism and subsequently used in a further pathway in the fermentation host. In an alternative embodiment, the pyruvate is isolated from the fermentation broth and then processed according to the further path.
Этап 2: превращение пирувата в 4-гидрокси-2-оксопентановую кислотуStep 2: Conversion of pyruvate to 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid
[0029] 4-гидрокси-2-оксопентановую кислоту можно получить путем альдольного присоединения ацетальдегида (альдегида) к пирувату (α кето-кислоте). В присоединении реагирует один эквивалент ацетальдегида с одним эквивалентом пирувата. Ацетилальдегид можно получить различными способами. Например, пируватдекарбоксилаза катализирует неокислительное декарбоксилирование пирувата до ацетальдегида. Следовательно, можно использовать пируватдекарбоксилазу из множества эукариотических или прокариотических источников (например Saccharomcyes cerevisiae). В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ацетилальдегид получают из пирувата с ферментом пируватдекарбоксилаза. [0029] 4-Hydroxy-2-oxopentanoic acid can be obtained by aldol addition of acetaldehyde (aldehyde) to pyruvate (α keto acid). In addition, one equivalent of acetaldehyde reacts with one equivalent of pyruvate. Acetylaldehyde can be obtained in various ways. For example, pyruvate decarboxylase catalyses the non-oxidative decarboxylation of pyruvate to acetaldehyde. Therefore, pyruvate decarboxylase from a variety of eukaryotic or prokaryotic sources (eg Saccharomcyes cerevisiae) can be used. In a preferred embodiment of the present invention, acetylaldehyde is produced from pyruvate with the enzyme pyruvate decarboxylase.
[0030] Было выделено множество альдолаз, которые, как было продемонстрировано, катализируют альдольное присоединение пирувата с ацетальдегидом. Альдолаза класса I, альдолаза 4-гидрокси-2-кето-пентановой кислоты (HKP-альдолаза), представляет собой альдолазу, задействующую Шиффово основание с остатком лизина, и катализирует прямую и обратную реакцию. В одном варианте осуществления настоящего изобретения альдольное присоединение пирувата с ацетальдегидом катализируется HKP-альдолазой из E. coli, описанной в Pollard, JR et al., Substrate selectivity and biochemical properties of 4-hydroxy-2-keto-pentanoic acid aldolase from E. coli, Appl. and Environ. Microbiology, 64(10):4093-4094 (1998), или ее гомологом, или ее мутантами (при этом эти мутанты необязательно получены с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития или рационального мутагенеза или их комбинации). Техники компьютерного расчета раскрыты в патентных документах US 2009-0191607 и WO 2010/077470, которые включены в данный документ ссылкой во всей полноте.[0030] Many aldolases have been isolated and shown to catalyze the aldol addition of pyruvate with acetaldehyde. Class I aldolase, 4-hydroxy-2-keto-pentanoic acid aldolase (HKP-aldolase), is an aldolase that uses a Schiff base with a lysine residue and catalyzes the forward and reverse reactions. In one embodiment of the present invention, the aldol addition of pyruvate with acetaldehyde is catalyzed by an E. coli HKP aldolase described in Pollard, JR et al., Substrate selectivity and biochemical properties of 4-hydroxy-2-keto-pentanoic acid aldolase from E. coli , Appl. and Environ. Microbiology, 64(10):4093-4094 (1998), or its homologue, or its mutants (these mutants are optionally obtained by protein engineering methods using computer calculation, directed development techniques or rational mutagenesis, or a combination thereof). Computer calculation techniques are disclosed in US 2009-0191607 and WO 2010/077470, which are incorporated herein by reference in their entirety.
[0031] Известно, что по меньшей мере две альдолазы класса II катализируют присоединение пирувата к ацетальдегиду, и две (BphI и HpaI) были охарактеризованы с некоторой степенью детализации в Wang W et al., Comparison of two metal-dependent pyruvate aldolases related by convergent evolution: substrate specificity, kinetic mechanism and substrate channeling, Biochemistry, 49:3774-3782 (2010). Эти ферменты используют металлический кo-фактор (в основном либо Zn, либо Mn). BphI и HpaI не имеют выявляемого общего сходства последовательностей. Поскольку BphI является стереоселективным и приводит к образованию 4S аддукта, HpaI, благодаря своему очень открытому активному сайту, производит рацемическую смесь (4R и 4S аддукты). BphI аллостерически связана с BphJ, ацетальдегиддегидрогеназой, и не активна и стабильна при экспрессии в изоляции. HpaI однако, может экспрессироваться сама по себе в E. coli и демонстрирует активность. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения альдольное присоединение пирувата к ацетальдегиду катализируется HpaI, или BphI, или их мутантами (при этом эти мутанты необязательно получены с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития или рационального мутагенеза или комбинации трех). [0031] At least two class II aldolases are known to catalyze the addition of pyruvate to acetaldehyde, and two (BphI and HpaI) have been characterized in some detail in Wang W et al., Comparison of two metal-dependent pyruvate aldolases related by convergent evolution: substrate specificity, kinetic mechanism and substrate channeling, Biochemistry, 49:3774-3782 (2010). These enzymes use a metal co-factor (mainly either Zn or Mn). BphI and HpaI have no detectable overall sequence similarity. Since BphI is stereoselective and results in the formation of a 4S adduct, HpaI, due to its very open active site, produces a racemic mixture (4R and 4S adducts). BphI is allosterically linked to BphJ, an acetaldehyde dehydrogenase, and is inactive and stable when expressed in isolation. HpaI, however, can be expressed by itself in E. coli and is active. In an alternative embodiment of the present invention, the aldol addition of pyruvate to acetaldehyde is catalyzed by HpaI, or BphI, or mutants thereof (whereby these mutants are optionally obtained by protein engineering methods using computer calculation, directed development techniques or rational mutagenesis, or a combination of the three).
[0032] В продолжение, любую подходящую пируватальдолазу и другие сходные альдолазы (например, KDPG-альдолаза), катализирующие альдольное присоединение альдегида к кетону, предположительно можно реконструировать для катализа альдольного присоединения ацетальдегида к пирувату. Реконструкция может включать, без ограничения, достижение желаемой субстратной специфичности как к пирувату, так и к ацетальдегиду, контроль желаемой стереоселективности для образования либо рацемических, либо энантиочистых аддуктов ((R)4-гидрокси-2-оксопентановая кислота и (S)4-гидрокси-3-оксопентановая кислота), стабилизацию фермента для получения желаемой каталитической активности в промышленных условиях, в которых настоящее изобретение осуществляют на практике (например, термостабилизация или стабилизация при высоком титре органических веществ), и/или повышение экспрессируемости и растворимости фермента в контексте промышленных условий, в которых настоящее изобретение осуществляют на практике (например в метаболическом пути в Saccharomyces cerevisiae). В другом варианте осуществления настоящего изобретения альдольное присоединение пирувата к ацетальдегиду катализируется пируватальдолазой или любыми ее гомологами и мутантами (при этом эти мутанты необязательно получены с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития или рационального мутагенеза или комбинации трех).[0032] Continuing, any suitable pyruvate aldolase and other similar aldolases (eg, KDPG-aldolase) that catalyze the aldol addition of an aldehyde to a ketone can presumably be redesigned to catalyze the aldol addition of acetaldehyde to pyruvate. Reconstruction may include, without limitation, achieving the desired substrate specificity for both pyruvate and acetaldehyde, controlling the desired stereoselectivity to form either racemic or enantiopure adducts ((R)4-hydroxy-2-oxopentanoic acid and (S)4-hydroxy -3-oxopentanoic acid), stabilizing the enzyme to obtain the desired catalytic activity under the industrial conditions in which the present invention is practiced (e.g., thermal stabilization or high titer organic stabilization), and/or increasing the expressibility and solubility of the enzyme in the context of industrial conditions. in which the present invention is practiced (eg, in the metabolic pathway in Saccharomyces cerevisiae). In another embodiment of the present invention, the aldol addition of pyruvate to acetaldehyde is catalyzed by pyruvate aldolase or any of its homologues and mutants (these mutants are optionally obtained using protein engineering methods using computer calculation, directed development techniques or rational mutagenesis, or a combination of the three).
[0033] Наконец, с помощью техники конструирования фермента de novo, такой как та, что описана у Zanghellini, A et al, New Algorithms and an in silico Benchmark for Computational Enzyme Design, Protein Science 15:2785-2794 (2006), можно сконструировать новые альдолазные ферменты для субстратов, которые могут или не могут существовать в природе. До 70 таких альдолаз были сконструированы de novo, как описано в заявке на патент США 2009-0191607, которая включена в данный документ ссылкой во всей полноте. Применение данной методологии к субстратам пируват и ацетальдегид может привести к получению альдолаз с желаемой активностью. В другом варианте осуществления настоящего изобретения альдольное присоединение пирувата к ацетальдегиду катализируется сконструированой de novo альдолазой.[0033] Finally, using a de novo enzyme design technique such as that described by Zanghellini, A et al, New Algorithms and an in silico Benchmark for Computational Enzyme Design, Protein Science 15:2785-2794 (2006), one can design new aldolase enzymes for substrates that may or may not exist in nature. Up to 70 of these aldolases have been constructed de novo as described in US Patent Application 2009-0191607, which is incorporated herein by reference in its entirety. Application of this methodology to the substrates pyruvate and acetaldehyde can lead to the production of aldolases with the desired activity. In another embodiment of the present invention, the aldol addition of pyruvate to acetaldehyde is catalyzed by a de novo engineered aldolase.
Этап 2’: циклизация 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты в 2-оксо-4-валеролактонStep 2': cyclization of 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid to 2-oxo-4-valerolactone
[0034] 4-Гидрокси-2-оксопентановую кислоту циклизируют в 2-гидрокси-4-валеролактон (соединение L7 на Фигуре 1). В кислотно-нейтральных растворах термодинамическое равновесие располагает к циклизации в лактон. Циклизацию в лактон можно кинетически увеличить посредством либо химического, либо биохимического катализа. Гомогенные и гетерогенные катализаторы для лактонизации включают сильные кислотные условия (например, серную кислоту), металлические катализаторы (например, палладий, рубидий). Биохимический катализ можно получить под действием липаз, эстераз, протеаз и лактоназ при условиях, которые способствуют прямой реакции лактонизации (низкий-нейтральный pH / высокий титр органического растворителя), как демострируется, например, в Martin CH, et al, Integrated bioprocessing for pH-dependent of 4-valerolactone from levulinate in Pseudomonas Putida KT2440, Appl. and Environ, Microbiology 76(2):417-424.[0034] 4-Hydroxy-2-oxo-pentanoic acid is cyclized to 2-hydroxy-4-valerolactone (compound L7 in Figure 1). In acid-neutral solutions, thermodynamic equilibrium favors cyclization to lactone. Cyclization to lactone can be kinetically increased by either chemical or biochemical catalysis. Homogeneous and heterogeneous catalysts for lactonization include strong acidic conditions (eg sulfuric acid), metal catalysts (eg palladium, rubidium). Biochemical catalysis can be generated by the action of lipases, esterases, proteases, and lactonases under conditions that favor the direct lactonation reaction (low-neutral pH/high titer organic solvent) as demonstrated, for example, in Martin CH, et al, Integrated bioprocessing for pH- dependent of 4-valerolactone from levulinate in Pseudomonas Putida KT2440, Appl. and Environ, Microbiology 76(2):417-424.
[0035] В одном варианте осуществления настоящего изобретения 2-оксо-4-валеролактон получают из 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты в присутствии катализатора после выделения 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты из ферментативного бульона или бесклеточного раствора. В другом варианте осуществления настоящего изобретения лактонизация 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты в 2-оксо-4-валеролактон катализируется непосредственно липазой, или эстеразой, или протеазой, или лактоназой, или их мутантами (при этом эти мутанты необязательно получены с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития, рационального мутагенеза или комбинации трех).[0035] In one embodiment of the present invention, 2-oxo-4-valerolactone is prepared from 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid in the presence of a catalyst after isolation of 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid from the fermentation broth or cell-free solution. In another embodiment of the present invention, the lactonization of 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid to 2-oxo-4-valerolactone is catalyzed directly by a lipase, or an esterase, or a protease, or a lactonase, or their mutants (these mutants are optionally produced using protein-coil methods). engineering using computer calculation, directed development techniques, rational mutagenesis, or a combination of the three).
Этап 3: восстановление 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты до 2,4-дигидроксипентановой кислотыStep 3: reduction of 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid to 2,4-dihydroxy-pentanoic acid
[0036] Среди широкого разнообразия природных дегидрогеназ с помощью in silico и/или экспериментального скрининга можно отобрать дегидрогеназы с субстратной специфичностью, которая допускает 4-гидрокси-2-оксопентановую кислоту и 2,4-дигидроксипентановую кислоту. К тому же, компьютерный расчет, техники направленного развития, или рациональный мутагенез, или комбинацию трех можно применять для изменения или увеличения субстратной специфичности существующей дегидрогеназы по отношению к 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоте и 2,4-дигидроксипентановой кислоте. Примеры подходящих отправных точек дегидрогеназ включают L- и D-лактатдегидрогеназы (NAD(P)H- или гем-зависимые, эукариотического или бактериального происхождения), малат-, аспартат- и глутамат-дегидрогеназы (NAD(P)H-зависимые эукариотического или бактериального происхождения), а также алкогольдегидрогеназы (такие как NAD(P)H-зависимые дегидрогеназы алкиловых и фениловых спиртов). Примеры таких дегидрогеназ перечислены в разделе примеров.[0036] Among the wide variety of naturally occurring dehydrogenases, dehydrogenases with substrate specificity that allows for 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid and 2,4-dihydroxypentanoic acid can be selected by in silico and/or experimental screening. In addition, computer calculation, directed development techniques, or rational mutagenesis, or a combination of the three can be used to alter or increase the substrate specificity of an existing dehydrogenase for 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid and 2,4-dihydroxy-pentanoic acid. Examples of suitable starting points for dehydrogenases include L- and D-lactate dehydrogenases (NAD(P)H- or heme-dependent, eukaryotic or bacterial origin), malate, aspartate and glutamate dehydrogenases (NAD(P)H-dependent eukaryotic or bacterial origin), as well as alcohol dehydrogenases (such as NAD(P)H-dependent dehydrogenases of alkyl and phenyl alcohols). Examples of such dehydrogenases are listed in the examples section.
[0037] В одном варианте осуществления настоящего изобретения 4-гидрокси-2-оксопентановую кислоту селективно восстанавливают до 2,4-дигидроксипентановой кислоты с помощью гомогенного или гетерогенного химического катализа. Для завершения данного этапа 2,4-дигидроксипентановая кислота может быть или не быть выделена/очищена из ферментативного или бесклеточного раствора. Предпочтительно, 2,4-дигидроксипентановую кислоту выделяют из раствора или ферментативного бульона перед тем, как подвергнуть указанному восстановлению.[0037] In one embodiment of the present invention, 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid is selectively reduced to 2,4-dihydroxy-pentanoic acid using homogeneous or heterogeneous chemical catalysis. To complete this step, 2,4-dihydroxypentanoic acid may or may not be isolated/purified from the enzymatic or cell-free solution. Preferably, 2,4-dihydroxypentanoic acid is isolated from the solution or fermentation broth prior to being subjected to said reduction.
[0038] В одном варианте осуществления настоящего изобретения NAD(P)H-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа восстановления кетона во 2 положении 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты. В другом варианте осуществления указанная дегидрогеназа восстанавливает кетон с высокой степенью субстратной специфичности к 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоте и высокой региоселективностью по кетону во 2 положении. В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа не является стереоселективной и может принять как 4R, так и 4S энантиомеры. В другом варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа селективно восстанавливает либо 4R, либо 4S энантиомерную форму 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0038] In one embodiment of the present invention, NAD(P)H-dependent dehydrogenase is used to catalyze the reduction of the ketone at the 2-position of 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid. In another embodiment, said dehydrogenase reduces a ketone with a high degree of substrate specificity for 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid and high regioselectivity for the 2-position ketone. In one embodiment of the present invention, said dehydrogenase is not stereoselective and can accept both the 4R and 4S enantiomers. In another embodiment of the present invention, said dehydrogenase selectively reduces either the 4R or 4S enantiomeric form of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid.
[0039] В другом варианте осуществления настоящего изобретения вместо NAD(P)H-зависимой дегидрогеназы применяют FAD-зависимую дегидрогеназу, предпочтительно с высокой степенью субстратной и региоселективности. В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа не является стереоселективной и может принимать как 4R, так и 4S энантиомеры. В другом варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа селективно восстанавливает либо 4R, либо 4S энантиомерную форму 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0039] In another embodiment of the present invention, instead of NAD(P)H-dependent dehydrogenase, a FAD-dependent dehydrogenase is used, preferably with a high degree of substrate and regioselectivity. In one embodiment of the present invention, said dehydrogenase is not stereoselective and can accept both the 4R and 4S enantiomers. In another embodiment of the present invention, said dehydrogenase selectively reduces either the 4R or 4S enantiomeric form of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid.
[0040] В другом варианте осуществления настоящего изобретения вместо NAD(P)H-зависимой дегидрогеназы применяют FMN-зависимую дегидрогеназу, предпочтительно с высокой степенью субстратной и региоселективности. В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа не является стереоселективной и может принимать как 4R, так и 4S энантиомеры. В другом варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа селективно восстанавливает либо 4R, либо 4S энантиомерную форму 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0040] In another embodiment of the present invention, instead of NAD(P)H-dependent dehydrogenase, an FMN-dependent dehydrogenase is used, preferably with a high degree of substrate and regioselectivity. In one embodiment of the present invention, said dehydrogenase is not stereoselective and can accept both the 4R and 4S enantiomers. In another embodiment of the present invention, said dehydrogenase selectively reduces either the 4R or 4S enantiomeric form of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid.
[0041] В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения вместо NAD(P)H-зависимой дегидрогеназы применяют феррицитохром-зависимую дегидрогеназу, предпочтительно с высокой степенью субстратной и региоселективности. В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа не является стереоселективной и может принимать как 4R, так и 4S энантиомеры. В другом варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа селективно восстанавливает либо 4R, либо 4S энантиомерную форму 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0041] In yet another embodiment of the present invention, instead of NAD(P)H-dependent dehydrogenase, a ferricytochrome-dependent dehydrogenase is used, preferably with a high degree of substrate and regioselectivity. In one embodiment of the present invention, said dehydrogenase is not stereoselective and can accept both the 4R and 4S enantiomers. In another embodiment of the present invention, said dehydrogenase selectively reduces either the 4R or 4S enantiomeric form of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid.
[0042] В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения вместо NAD(P)H-зависимой дегидрогеназы применяют хинон-зависимую дегидрогеназу, предпочтительно с высокой степенью субстратной и региоселективности. В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа не является стереоселективной и может принимать как 4R, так и 4S энантиомеры. В другом варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа селективно восстанавливает либо 4R, либо 4S энантиомерную форму 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0042] In another embodiment of the present invention, instead of NAD(P)H-dependent dehydrogenase, a quinone-dependent dehydrogenase is used, preferably with a high degree of substrate and regioselectivity. In one embodiment of the present invention, said dehydrogenase is not stereoselective and can accept both the 4R and 4S enantiomers. In another embodiment of the present invention, said dehydrogenase selectively reduces either the 4R or 4S enantiomeric form of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid.
Этап 3’: циклизация 2,4-дигидроксипентановой кислоты в 2-гидрокси 4-валеролактонStep 3': cyclization of 2,4-dihydroxypentanoic acid to 2-hydroxy 4-valerolactone
[0043] 2,4-Дигидроксипентановую кислоту циклизируют в 2-гидрокси-4-валеролактон (соединение L6 на Фигуре 1). В кислотно-нейтральных растворах термодинамическое равновесие располагает к циклизации в 4-валеролактон. Сходные примечания о термодинамическом равновесие и химическом и биохимическом катализе остаются в силе, как описано выше.[0043] 2,4-Dihydroxypentanoic acid is cyclized to 2-hydroxy-4-valerolactone (compound L6 in Figure 1). In acid-neutral solutions, thermodynamic equilibrium favors cyclization to 4-valerolactone. Similar notes about thermodynamic equilibrium and chemical and biochemical catalysis remain valid as described above.
[0044] В одном варианте осуществления настоящего изобретения 2-гидрокси-4-валеролактон получают из 2,4-дигидроксипентановой кислоты в присутствии катализатора после выделения 2,4-дигидроксипентановой кислоты из ферментативного бульона или бесклеточного раствора. В другом варианте осуществления настоящего изобретения лактонизация 2,4-дигидроксипентановой кислоты в 2-гидрокси-4-валеролактон катализируется непосредственно липазой, или эстеразой, или протеазой, или лактоназой, или их мутантами (при этом эти мутанты получены с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития или рационального мутагенеза или комбинации трех). [0044] In one embodiment of the present invention, 2-hydroxy-4-valerolactone is obtained from 2,4-dihydroxypentanoic acid in the presence of a catalyst after isolation of 2,4-dihydroxypentanoic acid from a fermentation broth or cell-free solution. In another embodiment of the present invention, the lactonization of 2,4-dihydroxypentanoic acid to 2-hydroxy-4-valerolactone is catalyzed directly by a lipase, or an esterase, or a protease, or a lactonase, or their mutants (these mutants are obtained using protein engineering methods using computer calculation, directed development techniques, or rational mutagenesis, or a combination of the three).
Этап 4: окисление 2,4-дигидроксипентановой кислоты до 4-оксо-2-гидроксипентановой кислотыStep 4: Oxidation of 2,4-dihydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid
[0045] В одном варианте осуществления настоящего изобретения 2,4-дигидроксипентановую кислоту селективно окисляют до 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты с применением гомогенного или гетерогенного химического катализа. Для завершения данного этапа 2,4-дигидроксипентановая кислота может быть или не быть выделена/очищена из ферментативного или бесклеточного раствора. Предпочтительно, 4-оксо-2-гидроксипентановую кислоту выделяют из раствора или ферментативного бульона перед тем, как подвергнуть указанному окислению.[0045] In one embodiment of the present invention, 2,4-dihydroxypentanoic acid is selectively oxidized to 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid using homogeneous or heterogeneous chemical catalysis. To complete this step, 2,4-dihydroxypentanoic acid may or may not be isolated/purified from the enzymatic or cell-free solution. Preferably, the 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid is isolated from the solution or fermentation broth before being subjected to said oxidation.
[0046] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения NAD(P)H-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа окисления гидроксила в 4 положении 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная дегидрогеназа окисляет гидроксил с высокой степенью субстратной специфичности к 2,4-дигидроксипентановой кислоте и высокой региоселективностью по гидроксилу в 4 положении. Предпочтительно, указанная дегидрогеназа принимает четыре различных энантиомера (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления указанная дегидрогеназа селективно окисляет либо 2R (2R4R, 2R4S), либо 2S (2S4R, 2S4S) энантиомеры 2,4-дигидроксипентановой кислоты в зависимости от того, какой наиболее многочисленный энантиомер получается в результате предыдущего восстановления 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты. Примеры таких дегидрогеназ перечислены в разделе примеры.[0046] In a preferred embodiment of the present invention, NAD(P)H-dependent dehydrogenase is used to catalyze the oxidation of the hydroxyl at the 4-position of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In a preferred embodiment, said dehydrogenase oxidizes a hydroxyl with a high degree of substrate specificity for 2,4-dihydroxypentanoic acid and a high regioselectivity for the 4-hydroxyl. Preferably, said dehydrogenase accepts four different enantiomers (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment, said dehydrogenase selectively oxidizes either the 2R (2R4R, 2R4S) or 2S (2S4R, 2S4S) enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid, depending on which is the most numerous enantiomer resulting from the previous reduction of 4-hydroxy-2- oxopentanoic acid. Examples of such dehydrogenases are listed in the examples section.
[0047] В другом варианте осуществления настоящего изобретения FAD-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа окисления гидроксила в 4 положении 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная дегидрогеназа окисляет гидроксил с высокой степенью субстратной специфичности к 2,4-дигидроксипентановой кислоте и высокой региоселективностью по гидроксилу в 4 положении. Предпочтительно, указанная дегидрогеназа принимает четыре различных энантиомера (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления указанная дегидрогеназа селективно окисляет либо 2R (2R4R, 2R4S), либо 2S (2S4R, 2S4S) энантиомеры 2,4-дигидроксипентановой кислоты в зависимости от того, какой наиболее многочисленный энантиомер получается в результате восстановления 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0047] In another embodiment of the present invention, a FAD-dependent dehydrogenase is used to catalyze the oxidation of the hydroxyl at the 4-position of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In a preferred embodiment, said dehydrogenase oxidizes a hydroxyl with a high degree of substrate specificity for 2,4-dihydroxypentanoic acid and a high regioselectivity for the 4-hydroxyl. Preferably, said dehydrogenase accepts four different enantiomers (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment, said dehydrogenase selectively oxidizes either the 2R (2R4R, 2R4S) or 2S (2S4R, 2S4S) enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid, whichever is the most numerous enantiomer resulting from the reduction of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid. acids.
[0048] В другом варианте осуществления настоящего изобретения FMN-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа окисления гидроксила в 4 положении 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная дегидрогеназа окисляет гидроксил с высокой степенью субстратной специфичности к 2,4-дигидроксипентановой кислоте и высокой региоселективностью по гидроксилу в 4 положении. Предпочтительно, указанная дегидрогеназа принимает четыре различных энантиомера (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления указанная дегидрогеназа селективно окисляет либо 2R (2R4R, 2R4S), либо 2S (2S4R, 2S4S) энантиомеры 2,4-дигидроксипентановой кислоты в зависимости от того, какой наиболее многочисленный энантиомер получается в результате восстановления 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0048] In another embodiment of the present invention, an FMN-dependent dehydrogenase is used to catalyze the oxidation of the hydroxyl at the 4-position of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In a preferred embodiment, said dehydrogenase oxidizes a hydroxyl with a high degree of substrate specificity for 2,4-dihydroxypentanoic acid and a high regioselectivity for the 4-hydroxyl. Preferably, said dehydrogenase accepts four different enantiomers (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment, said dehydrogenase selectively oxidizes either the 2R (2R4R, 2R4S) or 2S (2S4R, 2S4S) enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid, whichever is the most numerous enantiomer resulting from the reduction of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid. acids.
[0049] В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения феррицитохром-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа окисления гидроксила в 4 положении 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная дегидрогеназа окисляет гидроксил с высокой степенью субстратной специфичности к 2,4-дигидроксипентановой кислоте и высокой региоселективностью по гидроксилу в 4 положении. Предпочтительно, указанная дегидрогеназа принимает четыре различных энантиомера (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления указанная дегидрогеназа селективно окисляет либо 2R (2R4R, 2R4S), либо 2S (2S4R, 2S4S) энантиомеры 2,4-дигидроксипентановой кислоты в зависимости от того, какой наиболее многочисленный энантиомер получается в результате восстановления 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0049] In yet another embodiment of the present invention, a ferricytochrome-dependent dehydrogenase is used to catalyze the oxidation of the hydroxyl at the 4-position of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In a preferred embodiment, said dehydrogenase oxidizes a hydroxyl with a high degree of substrate specificity for 2,4-dihydroxypentanoic acid and a high regioselectivity for the 4-hydroxyl. Preferably, said dehydrogenase accepts four different enantiomers (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment, said dehydrogenase selectively oxidizes either the 2R (2R4R, 2R4S) or 2S (2S4R, 2S4S) enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid, whichever is the most numerous enantiomer resulting from the reduction of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid. acids.
[0050] В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения хинон-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа окисления гидроксила в 4 положении 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная дегидрогеназа окисляет гидроксил с высокой степенью субстратной специфичности к 2,4-дигидроксипентановой кислоте и высокой региоселективностью по гидроксилу в 4 положении. Предпочтительно, указанная дегидрогеназа принимает четыре различных энантиомера (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления указанная дегидрогеназа селективно окисляет либо 2R (2R4R, 2R4S), либо 2S (2S4R,2S4S) энантиомеры 2,4-дигидроксипентановой кислоты в зависимости от того, какой наиболее многочисленный энантиомер получается в результате восстановления 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты.[0050] In yet another embodiment of the present invention, a quinone-dependent dehydrogenase is used to catalyze the oxidation of the hydroxyl at the 4-position of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In a preferred embodiment, said dehydrogenase oxidizes a hydroxyl with a high degree of substrate specificity for 2,4-dihydroxypentanoic acid and a high regioselectivity for the 4-hydroxyl. Preferably, said dehydrogenase accepts four different enantiomers (2R4R, 2R4S, 2S4R, 2S4S) of 2,4-dihydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment, said dehydrogenase selectively oxidizes either the 2R (2R4R, 2R4S) or 2S (2S4R,2S4S) enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid, whichever is the most numerous enantiomer resulting from the reduction of 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid. acids.
Этап 5: дегидратация 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты до 4-оксо-2-пентеновой кислотыStep 5: Dehydration of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentenoic acid
[0051] Обычно, химическая дегидратация достигается либо гомогенным, либо гетерогенным катализом, таким как температура > 100°C, концентрированная кислота (4,0 M серная кислота) и/или катализатор на основе оксида металла (оксиды цинка или алюминия). В одном варианте осуществления настоящего изобретения 4-оксо-2-гидроксипентановую кислоту, полученную после этапов восстановления и окисления, химически дегидратируют до 4-оксо-2-пентеновой кислоты при помощи гомогенного или гетерогенного катализа. Для завершения данного этапа 4-оксо-2-гидроксипентановая кислота может быть или не быть выделена/очищена из ферментативного или бесклеточного раствора. Предпочтительно, 4-оксо-2-гидроксипентановую кислоту выделяют из раствора или ферментативного бульона перед тем, как подвергнуть указанной дегидратации.[0051] Typically, chemical dehydration is achieved by either homogeneous or heterogeneous catalysis, such as temperature > 100°C, concentrated acid (4.0 M sulfuric acid), and/or a metal oxide catalyst (zinc or aluminum oxides). In one embodiment of the present invention, the 4-oxo-2-hydroxy-pentanoic acid obtained from the reduction and oxidation steps is chemically dehydrated to 4-oxo-2-pentenoic acid using homogeneous or heterogeneous catalysis. To complete this step, 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid may or may not be isolated/purified from the enzymatic or cell-free solution. Preferably, the 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid is isolated from the solution or fermentation broth prior to being subjected to said dehydration.
[0052] Дегидратация органических соединений может альтернативно катализироваться ферментом дегидратаза. Были охарактеризованы несколько классов дегидратазы, и они зависят от различных механизмов: радикальный механизм, такой как у витамин B12-зависимых или SAM-зависимых дегидратаз (например, диолдегидратаза, глицериндегидратаза), механизм на основе кислот Льюиса, такой как у содержащих железо-серу дегидратаз (например, дигидроксикислотная дегидратаза, аконитаза), и механизм на основе промежуточного продукта, являющегося енолят-ионом, как, например, дикислотная дегидратаза (например, тартратдегидратаза). С учётом того, что все механизмы применимы для дегидратации 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты, механизмы, основанные на енолятном промежуточном продукте, предпочтительны, поскольку при формировании енолятного аниона на карбониле β с образованием отщепляемого гидроксила снижается pKa α-протона, таким образом позволяя ему легко уходить на главную кислотную/основную группу. Добавочная главная кислотно/основная группа протонирует уходящую молекулу воды. Этот механизм используется широким спектром природных дегидратаз: магний-зависимые дегидратазы из надсемейства енолаз, такие как тартратдегидратаза, глюконатдегидратаза, задействуют этот механизм для дегидратации структурно различных дикислот с высокой субстратной специфичностью, как описано, например, в Gerlt et al., Divergent evolution in the enolase superfamily: the interplay of mechanism and specificity, Biochemistry, 433:59-70 (2005). Фумараза (также известная как фумарат-гидратаза) катализирует основанную на еноляте обратимую гидрацию малата в фумарат. Еноилдегидратаза (также известная как кротоназа) задействует енолятный анион сложного тиоэфира-CoA для катализа обратимой гидратации различных CoA-субстратов (смотри, например, Holden et al., The Crotonase Superfamily: divergently related enzymes that catalyze different reactions involving acyl Coenzyme A thioesters, Acc. Chem. Res. 34:145-157.(2001)). [0052] The dehydration of organic compounds may alternatively be catalyzed by the enzyme dehydratase. Several classes of dehydratase have been characterized and depend on different mechanisms: a radical mechanism, such as in vitamin B12-dependent or SAM-dependent dehydratases (eg, diol dehydratase, glycerol dehydratase), a Lewis acid-based mechanism, such as in iron-sulfur-containing dehydratases (eg dihydroxy acid dehydratase, aconitase), and an enolate ion intermediate mechanism such as diacid dehydratase (eg tartrate dehydratase). Given that all mechanisms are applicable for the dehydration of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid, mechanisms based on the enolate intermediate are preferred, since the pKa of the α-proton decreases when the enolate anion is formed on the carbonyl β to form the hydroxyl to be cleaved off, thus allowing it is easy for him to go to the main acid/base group. The additional main acid/base group protonates the leaving water molecule. This mechanism is used by a wide range of natural dehydratases: magnesium-dependent dehydratases from the enolase superfamily, such as tartrate dehydratase, gluconate dehydratase, use this mechanism to dehydrate structurally different diacids with high substrate specificity, as described, for example, in Gerlt et al., Divergent evolution in the enolase superfamily: the interplay of mechanism and specificity, Biochemistry, 433:59-70 (2005). Fumarase (also known as fumarate hydratase) catalyzes the enolate-based reversible hydration of malate to fumarate. Enoil dehydratase (also known as crotonase) employs the thioester-CoA enolate anion to catalyze the reversible hydration of various CoA substrates (see e.g. Holden et al., The Crotonase Superfamily: divergently related enzymes that catalyze different reactions involving acyl Coenzyme A thioesters, Acc Chem Res 34:145-157 (2001)).
[0053] В одном варианте осуществления настоящего изобретения дегидратация 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты до 4-оксо-2-пентеновой кислоты катализируется дегидратазой. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидратаза задействует енолятный промежуточный продукт для катализа дегидратации. Предпочтительно, указанная дегидратаза является членом надсемейства енолаз, надсемейства фумараз или еноил-coA-дегидратаз, или их мутантами, полученными с помощью методов белковой инженерии. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидратаза проявляет высокий уровень субстратной специфичности к 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоте. В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидратаза дегидратирует в равной степени 2R и 2S энантиомеры 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидратаза селективно дегидратирует либо 2R, либо 2S энантиомер 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты.[0053] In one embodiment of the present invention, the dehydration of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentenoic acid is catalyzed by dehydratase. In a preferred embodiment of the present invention, said dehydratase employs an enolate intermediate to catalyze the dehydration. Preferably, said dehydratase is a member of the enolase superfamily, the fumarase or enoyl-coA dehydratase superfamily, or protein engineered mutants thereof. In a preferred embodiment of the present invention, said dehydratase exhibits a high level of substrate specificity for 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid. In another preferred embodiment of the present invention, said dehydratase dehydrates equally the 2R and 2S enantiomers of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment of the present invention, said dehydratase selectively dehydrates either the 2R or 2S enantiomer of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid.
Альтернатива этапу 4 и 5:Alternative to
[0054] Альтернативно 2-этапному превращению 2,4-дигидроксипентановой кислоты в 4-оксо-2-пентеновую кислоту, 1-этапное превращение можно осуществить с помощью окислительной дегидратации. Окислительные дегидратации типичны в метаболизме сахаров. Так называемые ферменты 4,6-дегидратазы, такие как UDP-GlcNAc-инвертирующая 4,6-дегидратаза, структурные детали которой описаны в Ishiyama et al., Structural studies of FlaA1 from helicobacter pylori reveal the mechanism for inverting 4,6-dehydratase activity, J. Bio. Chem. 281(34):24489-24495 (2006). В одном варианте осуществления настоящего изобретения такую 4,6-дегидратазу применяют для катализа окислительной дегидратации 2,4-дигидроксипентановой кислоты до 4-оксо-2-пентановой кислоты. В одном аспекте настоящего изобретения указанная 4,6-дегидратаза является энантиоселективной и дегидратирует предпочтительно один из энантиомеров 2,4-дигидроксипентановой кислоты (любой из 2R4R, 2R4S, 2S4R или 2S4S). В других аспектах настоящего изобретения указанная 4,6-дегидратаза не является энантиоселективной и дегидратирует с подобной каталитической эффективностью два или более энантиомеров 2,4-дигидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения 4,6-дегидратаза – высоко активна на 2,4-дигидроксипентановой кислоте, получена из природной 4,6-дегидратазы с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития или рационального мутагенеза или их комбинации.[0054] As an alternative to the 2-step conversion of 2,4-dihydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentenoic acid, the 1-step conversion can be accomplished by oxidative dehydration. Oxidative dehydration is typical in sugar metabolism. So-called 4,6-dehydratase enzymes, such as UDP-GlcNAc-inverting 4,6-dehydratase, whose structural details are described in Ishiyama et al., Structural studies of FlaA1 from helicobacter pylori reveal the mechanism for inverting 4,6-dehydratase activity , J. Bio. Chem. 281(34):24489-24495 (2006). In one embodiment of the present invention, such a 4,6-dehydratase is used to catalyze the oxidative dehydration of 2,4-dihydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentanoic acid. In one aspect of the present invention, said 4,6-dehydratase is enantioselective and preferentially dehydrates one of the enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid (any of 2R4R, 2R4S, 2S4R, or 2S4S). In other aspects of the present invention, said 4,6-dehydratase is not enantioselective and dehydrates two or more enantiomers of 2,4-dihydroxypentanoic acid with similar catalytic efficiency. In a preferred embodiment of the present invention, 4,6-dehydratase is highly active on 2,4-dihydroxypentanoic acid, derived from natural 4,6-dehydratase by protein engineering methods using computer calculation, directed development techniques or rational mutagenesis, or a combination thereof.
Этап 6: восстановление 4-оксо-2-пентеновой кислоты до 4-оксопентановой кислоты (левулиновой кислоты) Step 6: reduction of 4-oxo-2-pentenoic acid to 4-oxo-pentanoic acid (levulinic acid)
[0055] Двойные связи на замещенных алкенах можно восстановить (гидрогенизировать) с получением соответствующих насыщенных алканов. Замещенные алкены можно восстановить с применением химического катализа или, в целом асимметрично, с применением биокатализаторов, таких как еноатредуктазы, как рассмотрено в Stuermer et al., Asymmetric bioreduction of activated C=C bonds using enoat reductases from the old yellow enzyme family, Curr. Opin. In Chem. Bio. 11:203-213 (2007). Охарактеризованы еноатредуктазы как из эукариотических, таких как Sacharomyces cerevisiae и marchantia, так и из прокариотических организмов, таких как Clostridium. Семейство ферментов еноатредуктаз зависит от флавинового кофактора (FMN), который окисляется в каждом цикле фермента. За исключением одного известного случая, который является никотинамид-независимым, флавиновый кофактор, в свою очередь, восстанавливается никотинамидным кофактором, либо NADH, либо NADPH, который также связывается в активном сайте. По завершении одного цикла субстрат восстанавливался в связи с тем, что кофактор NAD(P)H окислялся до NAD(P)+. Еноатредуктазы отличаются по их субстратной специфичности. Однако, несколько еноатредуктаз, таких как еноатредуктазы дрожжей и Clostridium, имеют широкую субстратную специфичность и могут давать линейные замещенные алкены (с кислотными или кетоновыми функциональными группами), а также замещенные лактоны, такие как 4-валеролактон.[0055] Double bonds on substituted alkenes can be reduced (hydrogenated) to give the corresponding saturated alkanes. Substituted alkenes can be reduced using chemical catalysis or, in general, asymmetrically, using biocatalysts such as enoate reductases, as discussed in Stuermer et al., Asymmetric bioreduction of activated C=C bonds using enoat reductases from the old yellow enzyme family, Curr. Opin. In Chem. Bio. 11:203-213 (2007). Enoate reductases have been characterized both from eukaryotic organisms such as Sacharomyces cerevisiae and marchantia and from prokaryotic organisms such as Clostridium. The enoate reductase enzyme family depends on the flavin cofactor (FMN), which is oxidized in each enzyme cycle. With the exception of one known case, which is nicotinamide-independent, the flavin cofactor is in turn reduced by the nicotinamide cofactor, either NADH or NADPH, which also binds at the active site. At the end of one cycle, the substrate was reduced due to the fact that the NAD(P)H cofactor was oxidized to NAD(P)+. Enoate reductases differ in their substrate specificity. However, several enoate reductases, such as yeast and Clostridium enoate reductases, have broad substrate specificities and can give rise to linear substituted alkenes (with acid or ketone functionality) as well as substituted lactones such as 4-valerolactone.
[0056] В одном варианте осуществления настоящего изобретения 4-гидрокси-2-оксопентановую кислоту выделяют из бульона для разделения или бесклеточного раствора и селективно восстанавливают двойную связь с помощью гомогенного или гетерогенного катализа. [0056] In one embodiment of the present invention, 4-hydroxy-2-oxopentanoic acid is isolated from the separation broth or cell-free solution and the double bond is selectively reduced using homogeneous or heterogeneous catalysis.
[0057] В другом варианте осуществления настоящего изобретения фермент еноатредуктазу применяют для восстановления 4-гидрокси-2-оксопентановой кислоты до левулиновой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная еноатредуктаза зависит как от FMNH2, так и от NAD(P)H кофакторов, причем указанный NAD(P)H кофактор используется в активном сайте для регенерации FMNH2 до его окслительно-восстановительного состояния до катализа. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная еноатредуктазая клонирована и экспрессируется в ферментирующем хозяине. В альтернативном варианте осуществления указанную еноатредуктазу применяют внеклеточно или в бесклеточной системе с соответствующей системой регенерации кофактора. В другом альтернативном варианте осуществления указанное восстановление катализируется катализатором целой клетки, экспрессирующей одну или несколько еноатредуктаз, так, чтобы указанная клетка отличалась от ферментирующей(их) клетки(ок)-хозяина(ев), в которой(ых) задействуется часть пути и полностью путь.[0057] In another embodiment of the present invention, the enzyme enoate reductase is used to reduce 4-hydroxy-2-oxo-pentanoic acid to levulinic acid. In a preferred embodiment, said enoate reductase is dependent on both FMNH2 and NAD(P)H cofactors, with said NAD(P)H cofactor being used at the active site to regenerate FMNH2 to its redox state prior to catalysis. In a preferred embodiment of the present invention, said enoate reductase is cloned and expressed in a fermenting host. In an alternative embodiment, said enoate reductase is administered extracellularly or in a cell-free system with an appropriate cofactor regeneration system. In another alternative embodiment, said reduction is catalyzed by a whole cell catalyst expressing one or more enoate reductases such that said cell is distinct from the fermenting host cell(s) in which part of the pathway and the entire pathway are involved. .
Этап 7: восстановление 4-оксопентановой кислоты (левулиновой кислоты) до 4-гидроксипентановой кислотыStep 7: Reduction of 4-oxo-pentanoic acid (levulinic acid) to 4-hydroxy-pentanoic acid
[0058] Сходно с этапом 3 (абзац [0037] - [0043]), восстановление кетона в 4 положении на левулиновой кислоте можно осуществить либо посредством химического катализа, либо с помощью биокатализатора дегидрогеназы. В контексте метаболического пути данное последнее восстановление (и соответствующее окисление одного восстановительного эквивалента) обеспечивает редокс-равновесие всего пути от C5 и/или C6 сахаров.[0058] Similar to step 3 (paragraph [0037] - [0043]), the reduction of the 4-position ketone on levulinic acid can be accomplished either by chemical catalysis or by a dehydrogenase biocatalyst. In the context of the metabolic pathway, this last reduction (and the corresponding oxidation of one reduction equivalent) ensures the redox balance of the entire pathway from C5 and/or C6 sugars.
[0059] В одном варианте осуществления настоящего изобретения левулиновую кислоту выделяют из бульона или бесклеточного раствора и кетон в 4 положениях селективно восстанавливают с помощью гомогенного или гетерогенного катализа с получением 4-гидроксипентановой кислоты. [0059] In one embodiment of the present invention, levulinic acid is isolated from the broth or cell-free solution and the 4-position ketone is selectively reduced by homogeneous or heterogeneous catalysis to give 4-hydroxypentanoic acid.
[0060] В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения NAD(P)-зависимую дегидрогеназу применяют для катализа восстановления кетона в 4 положении на левулиновой кислоте до соответствующего гидроксила с получением 4-гидроксипентановой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления указанная дегидрогеназа восстанавливает кетон с высокой степенью субстратной специфичности к левулиновой кислоте и высокой региоселективностью по кетону в 4 положении. Предпочтительно, указанная дегидрогеназа представляет собой такой же фермент, как для окисления гидроксила в 4 положении 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты, или его мутант (при этом мутант получен компьютерным расчетом, или экспериментальным мутагенезом, или комбинацией двух). В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная дегидрогеназа селективно производит один из энантиомеров (4R или 4S) 4-гидроксипентановой кислоты. В альтернативном варианте осуществления указанная дегидрогеназа производит рацемическую смесь 4R и 4S энантиомеров 4-гидроксипентановой кислоты.[0060] In an alternative embodiment of the present invention, NAD(P)-dependent dehydrogenase is used to catalyze the reduction of a 4-position ketone on levulinic acid to the corresponding hydroxyl to give 4-hydroxypentanoic acid. In a preferred embodiment, said dehydrogenase reduces a ketone with a high degree of substrate specificity for levulinic acid and high regioselectivity for the ketone at the 4-position. Preferably, said dehydrogenase is the same enzyme as for the oxidation of hydroxyl at the 4-position of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid, or a mutant thereof (the mutant being obtained by computer calculation, or experimental mutagenesis, or a combination of the two). In a preferred embodiment of the present invention, said dehydrogenase selectively produces one of the (4R or 4S) enantiomers of 4-hydroxypentanoic acid. In an alternative embodiment, said dehydrogenase produces a racemic mixture of the 4R and 4S enantiomers of 4-hydroxypentanoic acid.
Этап 8: циклизация 4-гидроксипентановой кислоты в 4-валеролактонStep 8: Cyclization of 4-hydroxypentanoic acid to 4-valerolactone
[0061] 4-Гидроксипентановую кислоту циклизируют в 4-валеролактон (также известный как γ-валеролактон, соединение L1 на Фиг. 1). В кислотных растворах термодинамическое равновесие располагает к циклизации до 4-валеролактона. Такие же примечания о термодинамическом равновесие и химическом и биохимическом катализе остаются в силе, как и в абзаце [0035].[0061] 4-Hydroxypentanoic acid is cyclized to 4-valerolactone (also known as γ-valerolactone, compound L1 in Fig. 1). In acidic solutions, thermodynamic equilibrium favors cyclization to 4-valerolactone. The same notes about thermodynamic equilibrium and chemical and biochemical catalysis remain valid as in paragraph [0035].
[0062] В одном варианте осуществления настоящего изобретения 4-валеролактон получают из 4-гидроксипентановой кислоты в присутствии катализатора после выделения 4-гидроксипентановой кислоты из ферментативного бульона или бесклеточного раствора. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения энантиочистую 4-гидроксипентановую кислоту (либо 4R, либо 4S энантиомер) превращают с помощью указанного катализатора в энантиочистый 4-валеролактон. В альтернативном варианте осуществления рацемическую смесь двух энантиомеров 4-гидроксипентановой кислоты (4R и 4S) превращают с помощью указанного катализатора в рацемическую смесь 4-валеролактона.[0062] In one embodiment of the present invention, 4-valerolactone is obtained from 4-hydroxypentanoic acid in the presence of a catalyst after isolation of 4-hydroxypentanoic acid from the fermentation broth or cell-free solution. In a preferred embodiment of the present invention, enantio-pure 4-hydroxypentanoic acid (either the 4R or 4S enantiomer) is converted with said catalyst to enantio-pure 4-valerolactone. In an alternative embodiment, a racemic mixture of the two enantiomers of 4-hydroxypentanoic acid (4R and 4S) is converted with said catalyst to a racemic mixture of 4-valerolactone.
[0063] В другом варианте осуществления настоящего изобретения лактонизация 4-гидроксипентановой кислоты до 4-валеролактона катализируется непосредственно липазой, или эстеразой, или протеазой, или лактоназой, или их мутантами (при этом эти мутанты получены с помощью методов белковой инженерии с использованием компьютерного расчета, техник направленного развития или рационального мутагенеза или комбинации трех) внутри клетки или за ее пределами. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная липаза, или эстераза, или протеаза, или лактоназа действует на субстрат из энантиочистой 4-гидроксипентановой кислоты с получением энантиочистого 4-валеролактона. В альтернативном варианте осуществления указанные липаза, или эстераза, или протеаза, или лактоназа действует на рацемическую смесь из 4R и 4S энантиомеров 4-гидроксипентановой кислоты с получением рацемической смеси из 4R и 4S энантиомеров 4-валеролактона.[0063] In another embodiment of the present invention, the lactonization of 4-hydroxypentanoic acid to 4-valerolactone is catalyzed directly by a lipase, or an esterase, or a protease, or a lactonase, or mutants thereof (whereby these mutants are obtained using protein engineering methods using computer calculation, directed development techniques or rational mutagenesis or a combination of the three) inside or outside the cell. In a preferred embodiment of the present invention, said lipase or esterase or protease or lactonase acts on an enantiopure 4-hydroxypentanoic acid substrate to produce enantiopure 4-valerolactone. In an alternative embodiment, said lipase or esterase or protease or lactonase acts on a racemic mixture of the 4R and 4S enantiomers of 4-hydroxypentanoic acid to produce a racemic mixture of the 4R and 4S enantiomers of 4-valerolactone.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
[0064] Примеры ферментов пируватдекарбоксилаз: фермент семейства пируватдекарбоксилаз (EC номер EC 4.1.1.1), такой как фермент пируватдекарбоксилаза, можно применять для катализа первого этапа пути, превращения пирувата в ацетальдегид. В Таблице 1 ниже перечислены примеры таких ферментов (наряду с их организмами-источниками), которые изучены и охарактеризованы в литературе, с перечислением их номера доступа для общедоступной базы данных GenBank (NCBI). Также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в таблице 1 (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0064] Examples of pyruvate decarboxylase enzymes: An enzyme of the pyruvate decarboxylase family (EC number EC 4.1.1.1), such as the enzyme pyruvate decarboxylase, can be used to catalyze the first step of the pathway, the conversion of pyruvate to acetaldehyde. Table 1 below lists examples of such enzymes (along with their source organisms) that have been studied and characterized in the literature, listing their GenBank Access Number (NCBI). Homologous enzymes may also be used, e.g., protein and DNA sequences derived from the sequences in Table 1 (or reverse translation thereof) using alignment software such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with a value of e for alignment <0.1.
ТАБЛИЦА 1 TABLE 1
[0065] Примеры альдолазных ферментов, катализирующих получение 4-гидрокси-2-кето-пентановой кислоты: также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1. [0065] Examples of aldolase enzymes that catalyze the production of 4-hydroxy-2-keto-pentanoic acid: Homologous enzymes can also be used, for example, protein and DNA sequences obtained from the sequences in the tables below (or their reverse translation) using software for an alignment such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with an e value for alignment <0.1.
ТАБЛИЦА 2: альдолаза класса I: EC 4.1.3.39, официальное название: 4-гидрокси-2-оксовалерат-альдолазаTABLE 2: Class I aldolase: EC 4.1.3.39, official name: 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase
ТАБЛИЦА 3: альдолазы класса II: EC 4.1.3.39, официальное название: 4-гидрокси-2-оксовалерат-альдолазаTABLE 3: class II aldolases: EC 4.1.3.39, official name: 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase
ТАБЛИЦА 4: примеры дополнительных пируватальдолаз, подходящих для катализа реакции, либо в виде WT, либо после белковой инженерииTABLE 4: examples of additional pyruvate aldolases suitable to catalyze the reaction, either as WT or after protein engineering
[0066] Примеры ферментов дегидрогеназ, способных восстанавливать кетон в положении 4 производных пентановой кислоты до вторичного спирта (гидроксила) / окислять вторичный спирт (гидроксил) в положении 4 производных пентановой кислоты до кетона: также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0066] Examples of dehydrogenase enzymes capable of reducing the ketone at
[0067] Широкое разнообразие дегидрогеназ способно окислять/восстанавливать вторичные спирты/кетоны с различными степенями субстратной специфичности. Последовательности дегидрогеназ, перечисленные ниже, представляют собой некоторые примеры дегидрогеназ, описанные в литературе как активные на заместителях вторичных спиртов/кетонов на алкильных цепях из трех углеродов или более.[0067] A wide variety of dehydrogenases are capable of oxidizing/reducing secondary alcohols/ketones with varying degrees of substrate specificity. The dehydrogenase sequences listed below are some examples of dehydrogenases described in the literature as being active on secondary alcohol/ketone substituents on alkyl chains of three carbons or more.
ТАБЛИЦА 5TABLE 5
[0068] Примеры ферментов дегидрогеназ для восстановления 2,4-диоксопентановой кислоты до 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты: также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0068] Examples of dehydrogenase enzymes to reduce 2,4-dioxo-pentanoic acid to 4-oxo-2-hydroxy-pentanoic acid: Homologous enzymes can also be used, for example, protein and DNA sequences derived from the sequences in the tables below (or their reverse translation) with using alignment software such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with an alignment e value of <0.1.
[0069] Ферменты лактатдегидрогеназы с широкой субстратной специфичностью, продемонстрированные в литературе, для приема субстрата из 2,4-диоксопентановой кислоты. Две нижеприведенные последовательности имеют различные стереоселективности.[0069] Lactate dehydrogenase enzymes with broad substrate specificity have been demonstrated in the literature to accept a 2,4-dioxopentanoic acid substrate. The two sequences below have different stereoselectivities.
ТАБЛИЦА 6TABLE 6
[0070] Пример ферментов дегидратаз, катализирующих превращение 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты в 4-оксо-2-пентеновую кислоту: также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратную трансляцию) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0070] An example of dehydratase enzymes catalyzing the conversion of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentenoic acid: homologous enzymes can also be used, for example, protein and DNA sequences derived from the sequences in the tables below (or their inverse translation) using alignment software such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with an alignment e value of <0.1.
[0071] Дегидратазы енолятного надсемейства: эти дегидратазные ферменты, которые структурно связаны с “енолазным” семейством ферментов, стабилизируют енолят-ион, формирующийcя после отщепления одного из водородов α в функциональной группе кислоты. Поскольку эти ферменты зависят от стабилизации енолятного аниона для уменьшения энергии активации для реакции дегидратации, они могут быть активны на субстрате с β с отщепляемым гидроксилом с любой из функциональных групп карбоновой кислоты, кетона или сложного эфира. Несколько примеров этого класса дегидратаз приведены в таблице ниже:[0071] Enolate superfamily dehydratases: These dehydratase enzymes, which are structurally related to the "enolase" family of enzymes, stabilize the enolate ion formed after elimination of one of the α hydrogens in the acid functional group. Because these enzymes depend on the stabilization of the enolate anion to reduce the activation energy for the dehydration reaction, they can be active on a hydroxyl leaving β substrate with any of the carboxylic acid, ketone, or ester functionalities. A few examples of this class of dehydratases are shown in the table below:
ТАБЛИЦА 7TABLE 7
[0072] Дегидратазы семейства еноил-coA-гидратаз или “кротоназ”: эти ферменты могут катализировать обратимое присоединение/удаление молекул воды к/из α,β-ненасыщенных сложных тиоэфиров (производные кофермента A). Поскольку они зависят от стабилизации енолятного аниона, образованного после отщепления протона, ферменты также способны катализировать гидратацию (и обратимую дегидратацию) α,β-ненасыщенных карбоновых кислот и кетонов. В противоположность дегидратазе из надсемейства енолаз, эти ферменты не нуждаются в каком-либо кофакторе.[0072] Dehydratases of the enoyl-coA-hydratase or “crotonase” family: these enzymes can catalyze the reversible addition/removal of water molecules to/from α,β-unsaturated thioesters (coenzyme A derivatives). Because they depend on the stabilization of the enolate anion formed after proton elimination, enzymes are also able to catalyze the hydration (and reversible dehydration) of α,β-unsaturated carboxylic acids and ketones. In contrast to dehydratase from the enolase superfamily, these enzymes do not require any cofactor.
ТАБЛИЦА 8TABLE 8
[0073] Дегидратазы семейства фумаразы C (ферменты семейства фумаразы A и B используют железо-серный кластер): Касательно семейства еноил-coA-гидратаз, эти ферменты стабилизируют енолят без необходимости какого-либо кофактора. Связывание субстрата и стабилизация переходного состояния достигается с помощью аминокислот с активного центра. [0073] Fumarase C family dehydratases (fumarase A and B family enzymes use an iron-sulfur cassette): Regarding the enoyl-coA hydratase family, these enzymes stabilize enolate without the need for any cofactor. Substrate binding and transition state stabilization is achieved by amino acids from the active site.
ТАБЛИЦА 9TABLE 9
[0074] Другие дегидратазы: все другие известные дегидратазы (EC номера 4.2.1.*) можно также применять для катализа дегидратации 4-оксо-2-гидроксипентановой кислоты до 4-оксо-2-пентеновой кислоты, как, например, ферменты дегидратазы на основе железо-серного кластера (например, дигидроксидиол-дегидратаза, фумараза A и C) или витамин B12-зависимые и SAM-зависимые дегидратазы, такие как глицерин- и пропандиолдегидратаза. [0074] Other dehydratases: All other known dehydratases (EC number 4.2.1.*) can also be used to catalyze the dehydration of 4-oxo-2-hydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentenoic acid, such as the dehydratase enzymes on based on an iron-sulfur cluster (eg, dihydroxydiol dehydratase, fumarase A and C) or vitamin B12-dependent and SAM-dependent dehydratases such as glycerol and propanediol dehydratase.
[0075] Примеры ферментов оксидаз/эпимераз, способных катализировать окислительную дегидратацию/превращение 2,4-дигидроксипентановой кислоты в 4-оксо-2-пентеновую кислоту: также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0075] Examples of oxidase/epimerase enzymes capable of catalyzing the oxidative dehydration/conversion of 2,4-dihydroxypentanoic acid to 4-oxo-2-pentenoic acid: Homologous enzymes may also be used, e.g. protein and DNA sequences derived from the sequences in the tables below (or reverse translation thereof) using alignment software such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with an alignment e value of <0.1.
ТАБЛИЦА 10TABLE 10
[0076] Примеры ферментов, катализирующих восстановление 4-оксо,2-гидроксопентановой кислоты до левулиновой кислоты: также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0076] Examples of enzymes that catalyze the reduction of 4-oxo,2-hydroxopentanoic acid to levulinic acid: Homologous enzymes can also be used, for example, protein and DNA sequences obtained from the sequences in the tables below (or their reverse translation) using software for an alignment such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with an e value for alignment <0.1.
[0077] Семейство ферментов, называемых еноат-редуктазы или, более неофициально, старые желтые ферменты, являются NAD(P)H- и FMN-зависимым ферментом, катализирующим обратимое восстановление α,β-ненасыщенных сложных тиоэфиров, карбоновых кислот и кетонов. Они проявляют широкие субстратные специфичности, и следующие последовательности, как было успешно доказано экспериментально (смотри данные), катализируют восстановление 4-оксо, 3-гидроксипентановой кислоты до левулиновой кислоты. [0077] A family of enzymes called enoate reductases or, more informally, the old yellow enzymes, are NAD(P)H- and FMN-dependent enzymes that catalyze the reversible reduction of α,β-unsaturated thioesters, carboxylic acids, and ketones. They exhibit broad substrate specificities, and the following sequences have been successfully shown experimentally (see data) to catalyze the reduction of 4-oxo, 3-hydroxypentanoic acid to levulinic acid.
ТАБЛИЦА 11TABLE 11
Также было показано экспериментально, что мутанты по множеству сайтов фермента NCR из Pseudomonas syringae проявляют различные каталитические активности по отношению к 4-оксо,2-гидроксопентановой кислоте в качестве субстрата. Эти мутанты соответствуют Y178A, P242Q, D338Y и F315Y в аминокислотной нумерации последовательности AAD16106.It has also been experimentally shown that multiple site mutants of the NCR enzyme from Pseudomonas syringae exhibit different catalytic activities towards 4-oxo,2-hydroxopentanoic acid as a substrate. These mutants correspond to Y178A, P242Q, D338Y and F315Y in the amino acid sequence numbering of AAD16106.
[0078] Примеры ферментов, способных катализировать лактонизацию 4-гидроксикислот в их соответствующие циклические сложные эфиры (лактоны): также можно использовать гомологичные ферменты, например, последовательности белка и ДНК, полученные из последовательностей в нижеприведенных таблицах (или их обратной трансляции) с применением программного обеспечения для выравнивания, такого как, без ограничения, Blast, PSI-Blast или HMMER3, и со значением е для выравнивания <0,1.[0078] Examples of enzymes capable of catalyzing the lactonization of 4-hydroxy acids to their respective cyclic esters (lactones): Homologous enzymes can also be used, for example, protein and DNA sequences derived from the sequences in the tables below (or their reverse translation) using software an alignment tool such as, but not limited to, Blast, PSI-Blast, or HMMER3, and with an alignment e value of <0.1.
[0079] Известны многие виды лактоназ (например, лактоногидролазы), которые можно использовать для катализа обратимого образования 1,4-циклических сложных эфиров из 4-гидроксикислот. В частности, 1,4-лактоназы (EC 3.1.1.25) демонстрируют некоторую специфичность по отношению к 4-гидроксикислотам и, следовательно, являются предпочтительными последовательностями для катализа реакций этапов 8 на фигурах 3, 4 и 5 и реакций множественной лактонизации на фигуре 6. В частности, некоторые 1,4-лактоназы были проанализированы с 4-гидроксипентановой кислотой и, как было подтверждено, катализируют их обратимую циклизацию в гамма-валеролактон. В нижеприведенной таблице перечисляются некоторые ферменты лактоназы, которые, как сообщалось в литературе, катализируют эту реакцию.[0079] Many types of lactonases (eg, lactonohydrolases) are known that can be used to catalyze the reversible formation of 1,4-cyclic esters from 4-hydroxy acids. In particular, 1,4-lactonases (EC 3.1.1.25) show some specificity for 4-hydroxy acids and are therefore the preferred sequences for catalyzing the step 8 reactions in Figures 3, 4 and 5 and the multiple lactonization reactions in Figure 6. In particular, some 1,4-lactonases have been analyzed with 4-hydroxypentanoic acid and confirmed to catalyze their reversible cyclization to gamma-valerolactone. The table below lists some of the lactonase enzymes that have been reported in the literature to catalyze this reaction.
ТАБЛИЦА 12TABLE 12
[0080] Для катализа циклизации 4-гидроксикислот подходит широкий спектр других охарактеризованных лактоназ. Ниже приведена таблица, в которой перечисляются EC номера, соответствующие существующим лактоназам (подкласс карбоксиэстераз).[0080] A wide range of other characterized lactonases are suitable for catalysis of 4-hydroxy acid cyclization. Below is a table listing the EC numbers corresponding to existing lactonases (a subclass of carboxyesterases).
ТАБЛИЦА 13TABLE 13
[0081] В конечном счете наблюдали, что эстеразы, липазы и пептидазы/амидазы катализируют реакции лактонизации при подходящих экспериментальных условиях (нещелочном pH и, как правило, комнатной температуре). Например, липазы упоминаются в PCT/US2010/055524 для лактонизации, и амидазу/пептидазу применяли успешно для синтеза лактонов в WO/2009/142489, обе из которых включены в данный документ посредством ссылки.[0081] Ultimately, esterases, lipases and peptidases/amidases were observed to catalyze lactonization reactions under suitable experimental conditions (non-alkaline pH and typically room temperature). For example, lipases are mentioned in PCT/US2010/055524 for lactonization, and amidase/peptidase has been used successfully for the synthesis of lactones in WO/2009/142489, both of which are incorporated herein by reference.
[0082] Примеры небиокаталитических способов катализа лактонизации 4-гидроксикислот в их соответствующие циклические сложные эфиры (лактоны): есть множество небиокаталитических способов катализа 1,4-лактонизации гидроксикислот. Например, хорошо известно, что такая лактонизация катализируется кислотой и, следовательно, снижение pH среды (либо внутри, либо вне живых клеток) увеличивает скорость реакции лактонизации. Дополнительно, в PCT/US2010/055524 (которая включена в данный документ ссылкой) сообщалось, что активация посредством переноса группы на функциональную группу кислоты 4-гидроксикислоты достаточна при приемлемых условиях, таких как pH 2,5–7,0 и комнатная температура, для количественного выхода лактонной формы. Например, в PCT/US2010/055524 приведена (1) активация с фосфатной группой (с образованием, в данном случае, 4-гидроксилбутирилфосфата) и (2) активация с коферментом A (с образованием 4-гидроксилбутирил-CoA). Предполагается, что синтез промежуточных продуктов 4-гидроксилпентаноилфосфата или 4-гидроксилпентаноил-CoA с применением природного или сконструированного фермента киназы или CoA-синтетазы, соответственно, или химический синтез приводит к сходной активации и произвольной лактонизации при подходящих условиях.[0082] Examples of non-biocatalytic methods for catalyzing the lactonization of 4-hydroxy acids to their corresponding cyclic esters (lactones): There are many non-biocatalytic methods for catalyzing 1,4-lactonization of hydroxy acids. For example, it is well known that such lactonization is acid-catalyzed and therefore lowering the pH of the medium (either inside or outside living cells) increases the rate of the lactonization reaction. Additionally, it has been reported in PCT/US2010/055524 (which is incorporated herein by reference) that activation via group transfer to a 4-hydroxy acid functional group is sufficient under acceptable conditions, such as pH 2.5-7.0 and room temperature, to quantitative yield of the lactone form. For example, PCT/US2010/055524 provides (1) activation with a phosphate group (to form, in this case, 4-hydroxylbutyryl phosphate) and (2) activation with coenzyme A (to form 4-hydroxylbutyryl-CoA). Synthesis of 4-hydroxylpentanoyl phosphate or 4-hydroxylpentanoyl-CoA intermediates using a natural or engineered kinase or CoA synthetase enzyme, respectively, or chemical synthesis, is expected to result in similar activation and random lactonization under appropriate conditions.
[0083] Все справочные материалы, упомянутые в данном документе, включены в данный документ посредством ссылки для всех целей.[0083] All reference materials mentioned in this document are incorporated herein by reference for all purposes.
Claims (14)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US37819910P | 2010-08-30 | 2010-08-30 | |
US61/378,199 | 2010-08-30 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013113696A Division RU2634120C2 (en) | 2010-08-30 | 2011-08-30 | Enzyme producing of levulinic acid, levulinate complex esters, valerolactone and their derivatives |
Publications (4)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017136581A RU2017136581A (en) | 2019-02-08 |
RU2017136581A3 RU2017136581A3 (en) | 2021-02-05 |
RU2784878C2 true RU2784878C2 (en) | 2022-11-30 |
RU2784878C9 RU2784878C9 (en) | 2023-02-17 |
Family
ID=
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2339612C1 (en) * | 2007-07-25 | 2008-11-27 | Институт химии и химической технологии СО РАН | Method of obtaining levulinic acid by acid-catalytic saccharose conversion |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2339612C1 (en) * | 2007-07-25 | 2008-11-27 | Институт химии и химической технологии СО РАН | Method of obtaining levulinic acid by acid-catalytic saccharose conversion |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Weijun Wang "Comparison of Two Metal-Dependent Pyruvate Aldolases Related by Convergent Evolution: Substrate Specificity, Kinetic Mechanism, and Substrate Channeling" Biochemistry 2010, 49, 17, 3774-378 Publication Date: April 5, 2010. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2018201168B2 (en) | Fermentation route for the production of levulinic acid, levulinate esters, valerolactone, and derivatives thereof | |
Winkler | Carboxylic acid reductase enzymes (CARs) | |
Engel et al. | Acetohydroxyacid synthase: a new enzyme for chiral synthesis of R‐phenylacetylcarbinol | |
WO2015042201A2 (en) | A high yield route for the production of compounds from renewable sources | |
US20150299741A1 (en) | Method for conversion of an alkane or 1-alkanol to a diol | |
US10260060B2 (en) | Genetically modified phenylpyruvate decarboxylase, processes to prepare, and uses thereof | |
Xu et al. | Efficient synthesis of (R)-2-chloro-1-phenylethol using a yeast carbonyl reductase with broad substrate spectrum and 2-propanol as cosubstrate | |
WO2018203076A1 (en) | Modified microorganisms and methods for production of branched c5 carbon compounds | |
US12104160B2 (en) | Production of 4,6-dihydroxy-2-oxo-hexanoic acid | |
JP6194251B2 (en) | Enzymatic synthesis of active pharmaceutical ingredients and their intermediates | |
RU2784878C2 (en) | Method for production of 2-oxo-4-valerolactone | |
RU2784878C9 (en) | Method for production of 2-oxo-4-valerolactone | |
Abdelraheem et al. | Enzymatic cascade of DERA and ADH for lactone synthesis | |
EP2465936A1 (en) | Enzymatic synthesis of statins and intermediates thereof | |
Wang et al. | Boosting the hydroxyfatty acid synthesis in Escherichia coli by expression of Bacillus megaterium glucose dehydrogenase | |
CN103180279B (en) | For producing the fermentation path of levulic acid, levulinate, valerolactone and its derivant | |
Hanefeld | Catalysis Science & Technology | |
Liu et al. | Detoxification of furan aldehydes by Acinetobacter baylyi ADP1 | |
ABLAEV et al. | Assessment of Efficiency of Butyric Acid Biosynthesis during Cultivation of Clostridium butyricum and Clostridium tyrobutyricum Bacteria on Media Containing Birch Cuts and Beet Cake Hydrolysates | |
Cabral et al. | Optimized lovastatin production by solid-state fermentation using agro-industrial derived substrates | |
Rovati et al. | Successful fibrinolytic enzymes production by solid state fermentation |