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本研究的主要作者包括Tao Li、Xuexian Cui、Yinglu Cui、Jinyuan Sun、Yanchun Chen、Tong Zhu、Chuijian Li、Ruifeng Li和Bian Wu。研究由中国科学院微生物研究所的微生物生理与代谢工程重点实验室完成，并于2020年6月30日发表在《ACS Catalysis》期刊上。
2-酮酸（2-ketoacids）是饲料、食品添加剂和药物中常见的化合物，也是许多化学多样性化合物的前体。由于2-酮酸在生物合成途径中与L-氨基酸密切相关，因此从L-氨基酸出发进行生物催化合成2-酮酸具有重要的应用前景。然而，传统的化学合成方法成本高且对环境不友好，而生物催化合成则具有可持续性和经济性优势。本研究旨在通过生物信息学方法探索一系列转氨酶（aminotransferases, ATs），以实现L-氨基酸向2-酮酸的高效转化，并进一步扩展其应用至D-氨基酸和N-甲基化氨基酸的合成。
研究首先设计了一个酶级联反应，通过耦合L-谷氨酸氧化反应来实现胺受体的循环利用。具体来说，L-谷氨酸氧化酶（L-glutamate oxidase, LGOX）被选为胺受体循环酶，因为它能够将L-谷氨酸（AT反应的副产物）转化为2-酮戊二酸（AT反应的共底物）。为了消除反应中产生的过氧化氢对反应的负面影响，研究还引入了过氧化氢酶（catalase）。
研究首先以大肠杆菌（Escherichia coli）来源的支链氨基酸转氨酶（ECBCAT）为催化剂，验证了L-缬氨酸向2-酮异戊酸的高效转化。在5.5小时内，100 mM的L-缬氨酸被转化为2-酮异戊酸，转化率高达98%。
为了覆盖所有天然L-氨基酸的底物，研究通过生物信息学方法从UniProt数据库中挖掘了超过370,000个AT序列，并通过多序列比对和结构/功能关系分析，将ATs分为六类。研究进一步通过隐马尔可夫模型（HMM）和结构基序分析，筛选出27个具有潜在催化活性的ATs。
筛选出的27个ATs在大肠杆菌中进行了异源表达，并通过His标签纯化。大多数ATs能够成功表达并表现出对18种L-氨基酸的催化活性。研究还发现，某些ATs具有广泛的底物特异性，尤其是支链氨基酸转氨酶（BCATs）在107位氨基酸残基的突变显著扩展了其底物范围。
研究进一步测试了18种天然L-氨基酸向2-酮酸的转化，结果显示大多数氨基酸能够高效转化为相应的2-酮酸，转化率高达99%。此外，研究还成功实现了克级规模的2-酮酸合成，展示了该酶级联反应的工业应用潜力。
研究进一步扩展了酶级联反应的应用，通过引入还原胺化酶（如meso-二氨基庚二酸脱氢酶和N-甲基氨基酸脱氢酶），实现了D-氨基酸和N-甲基化氨基酸的高效合成。这些反应在克级规模上也表现出高转化率和高对映选择性（ee值>99%）。
研究成功开发了一种基于AT/LGOX/过氧化氢酶级联反应的新型酶法，能够在温和的水相条件下将天然L-氨基酸高效转化为2-酮酸。通过生物信息学方法，研究筛选出了一系列具有广泛底物特异性的ATs，并展示了其在2-酮酸及其衍生物合成中的应用潜力。研究还成功实现了克级规模的2-酮酸、D-氨基酸和N-甲基化氨基酸的合成，展示了该方法的工业应用前景。
本研究开发了一种高效、可持续的酶法合成2-酮酸及其衍生物的策略。通过生物信息学方法挖掘和筛选ATs，研究成功构建了一个具有广泛底物特异性的酶工具箱，能够高效转化天然L-氨基酸为2-酮酸。此外，研究还展示了该酶级联反应在D-氨基酸和N-甲基化氨基酸合成中的应用潜力。该方法不仅具有重要的科学价值，还为绿色化学和可持续化工提供了新的思路。
研究还探讨了该酶级联反应与其他化学或生物催化剂的结合应用，展示了其在合成多种有用化合物中的潜力。此外，研究还提出了通过定向进化或计算工程进一步优化ATs活性的可能性，为未来的研究提供了方向。