Enzymatic Synthesis of C2 Chemicals from Formaldehyde by using a Carboligase from Escherichia coli

Abstract

Formaldehyde is an emerging C1 source because it could be produced from C1 compounds by biological and/or chemical means. Thereby, a novel carboligase was investigated, which catalyzes the condensation of two molecules of formaldehyde into one glycolaldehyde. First, a structural similarity search was performed to find out the candidate enzymes for ligation of two molecules of formaldehyde into glycolaldehyde. As a result, glyoxylate carboligase from Escherichia coli K-12 (EcGCL) showed a rather high conversion yield for the production of glycolaldehyde. EcGCL maintained the enzyme activity at a high temperature of 50°C, indicating that EcGCL is more thermostable than similar enzymes (e.g., Formolase (FLS)). Furthermore, EcGCL showed a quite high initial reaction rate as compared to glycolaldehyde synthase (GALS). The EcGCL was successfully coupled with aldehyde dehydrogenase (e.g. α-ketoglutaric semialdehyde dehydrogenase (KGSADH) from Azospirillum brasilense), alcohol dehydrogenase (e.g. 1,3-propanediol dehydrogenase (DhaT) of Klebsiella pneumoniae) and ω-aminotransferase (e.g. class III aminotransferase from Silicibacter pomeroyi(3-HMU)) for the synthesis of glycolic acid, ethylene glycol, and ethanolamine, respectively, from formaldehyde. In vitro biotransformation of EcGCL and KGSADH allowed producing glycolic acid to a conversion of 62%. The cascade reaction of EcGCL with DhaT led to the formation of ethylene glycol to a conversion of 64%. Finally, the simultaneous reaction of EcGCL and 3-HMU allowed to produce to a conversion of 66%. This study will contribute to the enzymatic synthesis of high-value C2 compounds from C1 compounds in a sustainable way;포름알데하이드는 탄소 한 개(C1)로 구성된 화합물로부터 생물학 혹은 화학적으로 합성할 수 있기 때문에 새로운 탄소원으로 주목받고 있다. 따라서, 두 분자의 포름알데하이드로부터한 분자의 글리콜알데하이드를 합성할 수 있는 신규 카보라이게이즈인 Escherichia coli K-12 유래 glyoxylate carboligase (EcGCL)가 연구되었다. 먼저, 탄소 결합 능력을 가진 효소 후보를 찾기 위해 구조비교분석을 진행했다. 그 결과 포름알데하이드에 높은 활성을 가진 EcGCL 효소가 선택 되었다. EcGCL의 특성을 탄소결합 활성을 가진 것으로 알려진 다른 효소들과 비교하며 탐색하였다. EcGCL은 50℃라는 비교적 높은 온도에서도 효소 활성을 잘 유지하였고, 이는 Formolase (FLS) 효소보다 더 높은 내열성을 보여주었다. 그리고 포름알데하이드를 글리콜알데하이드로 합성하는 같은 메커니즘을 갖고 있으며 4번의 효소 개량을 거친 Glycolaldehyde synthase (GALS) 효소보다 더 빠른 초기반응 속도를 보여주었다. 따라서, EcGCL은 알데하이드 탈수소 효소 종류인 Azospirillum brasilense 유래 α-ketoglutaric semialdehyde dehydrogenase (KGSADH), 알코올 탈수소 효소 종류인 Klebsiella pneumoniae유래 1,3-propanediol dehydrogenase (DhaT) 그리고 아미노트랜스퍼레이즈 종류인 Silicibacter pomeroyi유래 class III aminotransferase (3-HMU)와 각각 연속반응을 진행하여 글리콜산, 에틸렌글리콜 그리고 에탄올아민을 합성하였다. EcGCL 과 KGSADH의 In vitro 연속 반응을 통해서 글리콜산을 약 62% 전환율로 생산할 수 있었다. EcGCL과 DhaT의 연속 반응은 에틸렌글리콜을 약 64%의 전환율로 생성하였다. 마지막으로 EcGCL과 3-HMU의 연속반응은 단계를 나누지 않고 동시에 진행되었으며 에탄올 아민을 65.6% 전환율로 생성할 수 있었다. 이 연구는 지속 가능한 방식으로 C1 화합물에서 고부가가치의 C2 화합물의 합성연구에 기여할 것이라 사료된다.