Characterization and biocatalytic applications of aspartate and methylaspartate ammonia lyases

In zijn promotieonderzoek heeft Vinod Puthan Veetil het katalytische mechanisme van aspartaat ammonia lyase, dat lange tijd onbekend was, opgehelderd. Ook heeft hij het biokatalytische potentieel van een variant van methylaspartaat ammonia lyase benut voor de asymmetrische synthese van N-gesubstitueerde-L-aspartaatverbindingen. Aspartaat ammonia lyases (aspartases) spelen een belangrijke rol in het microbiële stikstofmetabolisme door het katalyseren van de reversibele deaminering van L-aspartaat, resulterend in fumaraat en ammonia. Aspartases behoren tot de meest specifieke enzymen die bekend zijn en de hoge specificiteit en katalytische activiteit van deze enzymen zijn gedurende decennia benut voor de commerciële productie van L-aspartaat. Hoewel aspartases voor het eerst gerapporteerd werden in 1929 en de eerste gedetailleerde studies dateren van de jaren 50 van de 20e eeuw, was het exacte katalytische mechanisme nog onbekend. In zijn promotieonderzoek is Vinod Puthan Veetil er uiteindelijk in geslaagd het katalytische mechanisme van aspartase op te helderen. Hij heeft zich hierbij gericht op het aspartase (AspB) uit de thermofiele bacterie Bacillus species YM55-1 en heeft door middel van gerichte mutagenese, kinetiek- en inhibitiestudies de rol van de ‘active site’ residuen in substraatbinding en katalyse bestudeerd. Bovendien werd de kristalstructuur van AspB in complex met het natuurlijke substraat (L-aspartaat) opgelost. De structuurstudies onthulden dat substraatbinding een grote conformationele verandering induceert in een geconserveerde lus, waardoor belangrijke katalytische residuen in de nabijheid van het substraat worden gebracht. Er is een katalytisch mechanisme voorgesteld voor AspB en de resultaten versterken de veronderstelling dat AspB en andere leden van de aspartase/fumarase superfamilie eenzelfde wijze van substraatbinding gebruiken en een gemeenschappelijk katalytisch mechanisme hebben. De bevindingen vormen het uitgangspunt voor ‘mechanism-based engineering’ van aspartase met als doel het gebruik van aspartase in de biokatalytische synthese van aspartaatderivaten. In zijn proefschrift rapporteert Vinod Puthan Veetil ook de biokatalytische synthese van een grote reeks N-gesubstitueerde aspartaatverbindingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een variant van methylaspartaat ammonia lyase (MAL). N-gesubstitueerde aspartaatverbindingen zijn belangrijke bouwstenen voor synthetische peptides, voedingssupplementen en medicijnen; voor zulke toepassingen is de optische zuiverheid van de verbinding van het grootste belang. De MAL-variant katalyseert de additie van structureel verschillende amines aan fumaraat met hoge enantioselectiviteit, resulterend in alleen de L-enantiomeren van de aminozuurproducten.