香兰素、糠醛和HMF是重要的生物质衍生物，可转化为用于生产添加剂、纤维、利尿剂、抗高血压药物和辣椒素的胺类化合物（Conway等人，2008年；Li等人，2021年；Wang等人，Chanquia等人，2017年）。其中，香兰胺的工业生产主要通过木质素衍生的香兰素的化学胺化来实现（Fu等人，2021年）。然而，化学方法存在诸多缺点，如需要使用昂贵的金属催化剂、能耗高以及环境污染（Li等人，2023年）。使用Rh/Al2O3作为化学催化剂和NH4Cl作为胺供体（2.0 MPa H2，80°C），香兰素可以以91%的产率转化为香兰胺（Chatterjee等人，2016年）。根据先前的方法（Agelis等人，2013年），N-苄基香兰胺在甲醇中在1 atm H2压力下、室温下经10% Pd/C催化剂氢化3小时后可获得香兰胺。糠胺则是通过在2.5 bar H2压力下使用Ru负载催化剂氢化FAL制得的（Li等人，2021年）。虽然NaBH4能将HMF转化为胺，但会产生大量副产物（Wang等人，2022年）。ω-转氨酶能高效催化复杂的酮类化合物的转氨反应，在常温条件下的活性较高（Tang等人，2023年；Xu等人，2022年）。利用ω-转氨酶作为生物催化剂将香兰素转化为香兰胺是一种环保的方法（Haq等人，2018年；Manfrão-Netto等人，2021年）。已知ω-转氨酶能够将氨基从氨基供体转移到某些分子（如醛类和酮类）上（Slabu等人，2017年；Bohmer等人，2020年）。使用ω-转氨酶30CA作为生物催化剂，80 mM的香兰素可以以12%的产率转化为香兰胺（Li等人，2023年）。HNILQE-AlaDH细胞能以72%的产率将40 mM的香兰素转化为香兰胺（Li等人，2023年）。pRSFDuet-CV-AlaDH能以39%的产率将125 mM的糠醛转化为糠胺（Li等人，2021年）。CV能以93.2%的产率将600 mM的HMF转化为5-羟甲基糠醛（Wang等人，2021年）。ω-转氨酶生物催化的产率受到底物毒性、酶稳定性和活性的限制（Du等人，2014年）。因此，探索提高生物催化剂稳定性和活性的方法以实现对底物的高耐受性，实现高效胺化产物的生物合成具有重要意义。
值得注意的是，ω-转氨酶的生物催化性能与其三维结构密切相关。底物结合口袋的立体阻碍和产物释放通道的狭窄限制了底物的进入并加剧了产物的抑制作用（Dourado等人，2016年）。ω-转氨酶中的Q25、W64和I266残基分别位于小结合口袋（SBP）和大结合口袋（LBP）中。引入疏水残基（ALMVFW）通过消除氢键拖拽作用破坏了酶的基态，从而提高了底物亲和力（Yang等人，2022年）。此外，柔性环区域的高B因子表明该区域具有显著的动态特性。在底物/产物压力作用下，构象变化可能导致酶活性下降（Huang等人，2017年）。这些结构缺陷共同导致ω-转氨酶在工业条件下的不稳定性和低催化性能。
基于结构和序列分析的蛋白质工程已成为提高酶性能的有效方法（Wijma等人，2013年）。计算机辅助酶工程在蛋白质设计中受到越来越多的关注。计算蛋白质设计已成为一种经过验证的预测方法，可用于高效识别突变位点和筛选阳性突变体（Mondal等人，2020年）。所采用的策略结合了多种计算算法，大幅减少了实验工作量（Zheng等人，2020年；Rocklin等人，2017年）。多种计算算法的策略性整合显著提高了获得功能性突变的概率（Su等人，2020年）。
在先前的研究中，来自Caulobacter sp. D5的ω-转氨酶被用于将VAN转化为香兰胺（Zhang等人，2024年）。然而，其较差的热稳定性和对香兰素的低耐受性限制了其应用。在本研究中，基于Caulobacter sp. D5的ω-转氨酶结构，选择了底物结合中心的关键残基、酶表面的柔性环区域以及B因子值较高的区域进行合理设计。在目标位点进行定向突变，以提高酶的热稳定性和底物耐受性。工程化的全细胞催化剂在转化高浓度香兰素为香兰胺时表现出高效率，具有优异的产率和选择性。此外，生物质衍生的糠醛、HMF和其他芳香醛类化合物也被生物胺化为有机胺，实现了生物质中碳水化合物和木质素的高值转化。
