リグニンモノマーと二量体から芳香族化合物への潜在的な経路を計算する

リグニン触媒解重合に由来する芳香族産物の不均一性は、リグニン価値化に関連する主要な課題の1つです。微生物は、異種の中間体をいくつかの中央芳香族産物に注ぎ込むことができる異化経路を進化させました。これらの芳香族化合物は、その後、付加価値化学物質を生産するために、または酸性環内またはエクストラジオール環を開いている可能性があります。ただし、そのような漏斗の経路は、Sphingobium sp。Syk-6およびPseudomonas putida KT2440。ここでは、de novo経路設計ツール（Novostoic）を、リグニン由来のモノとビアリールを集中させる可能な方法を計算する可能性のある方法に適用します。Novostoicは、最も類似した基質で同じ生体内変化を実行する既知の酵素にフラグを立てることにより、分子部分間の反応規則を使用して、novo変換を仮定します。その後、反応規則と既知の反応の両方がNovostoicによって展開され、De Novoステップの数を最小限に抑えながら、ソースをターゲット代謝物に変換する質量バランスの生化学ネットワークを特定します。（i）ファンネルS、G、およびHリグニンモノマーの代替経路の設計、および（II）β-1およびβ-β二量体の切断経路を探索するためのNovostoicの適用を実証します。酵素の乱交によって得られる未知の化学空間を探索することにより、Novostoicは、酵素の乱交を活用する以前は未知の天然経路を予測し、異種酵素がほとんどない新しい炭素/エネルギー効率の高いリグニン漏斗経路を提案するのに役立ちます。

The heterogeneity of the aromatic products originating from lignin catalytic depolymerization remains one of the major challenges associated with lignin valorization. Microbes have evolved catabolic pathways that can funnel heterogeneous intermediates to a few central aromatic products. These aromatic compounds can subsequently undergo intra- or extradiol ring opening to produce value-added chemicals. However, such funneling pathways are only partially characterized for a few organisms such as Sphingobium sp. SYK-6 and Pseudomonas putida KT2440. Herein, we apply the de novo pathway design tool (novoStoic) to computationally prospect possible ways of funneling lignin-derived mono- and biaryls. novoStoic employs reaction rules between molecular moieties to hypothesize de novo conversions by flagging known enzymes that carry out the same biotransformation on the most similar substrate. Both reaction rules and known reactions are then deployed by novoStoic to identify a mass-balanced biochemical network that converts a source to a target metabolite while minimizing the number of de novo steps. We demonstrate the application of novoStoic for (i) designing alternative pathways of funneling S, G, and H lignin monomers, and (ii) exploring cleavage pathways of β-1 and β-β dimers. By exploring the uncharted chemical space afforded by enzyme promiscuity, novoStoic can help predict previously unknown native pathways leveraging enzyme promiscuity and propose new carbon/energy efficient lignin funneling pathways with few heterologous enzymes.