解密Baeyer−Villiger单加氧酶区域选择性的决定机制

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近日,中国农业科学院植保所联合中国科学院天津工业生物技术研究所、大连化物所德国马普煤炭所等单位在国际知名期刊《美国化学会催化》(ACS Catalysis)在线发表了研究论文,解析了Baeyer-Villiger单加氧酶区域选择性的决定机制。

解密Baeyer−Villiger单加氧酶区域选择性的决定机制

图1. 实验验证结合量子化学计算解析Baeyer-Villiger单加氧酶TmCHMO进化路径中区域选择性翻转的控制机制。

 

 

Baeyer-Villiger单加氧酶广泛存在于生物体中,主要参与生物体内中间代谢产物的合成与降解过程,如生物体内的甾体激素的降解过程以及一些天然产物的合成过程等。目前,该类酶已被广泛应用于高附加值精细化学品的生物催化合成以及新型天然产物的合成生物学研究当中。鉴于Baeyer-Villiger单加氧酶的重要应用价值,对其进行定向进化获得性质优良的突变体广受关注,并取得了一些突破性进展。然而,在Baeyer-Villiger单加氧酶的研究当中仍然存在一个关键问题仍未阐明:如何精准控制Baeyer-Villiger单加氧酶对酮底物的区域选择性,并实现选择性翻转?前期研究中,该团队通过定向进化的方法成功翻转了Baeyer-Villiger单加氧酶TmCHMO对链式酮底物的区域选择性,并初步解析了选择性翻转的机制(J. Am. Chem. Soc2018140, 10464-10472),但是其关键的决定机制并不清晰。

本论文深入研究了Baeyer-Villiger单加氧酶TmCHMO对链式酮底物4-苯基-2-丁酮的区域选择性的控制机制,发现过渡态Criegee中间体在不同进化阶段会形成不同的立体构型,从而影响了最终产物的区域选择性。作者首先构建了最优突变体LGY3-D-E1中4个点突变的所有突变组合,并测定了这些突变体催化4-苯基-2-丁酮单加氧反应的区域选择性。基于上述数据构建了从野生型TmCHMO到突变体LGY3-D-E1的24条进化路径图,系统分析了不同突变位点之间的协同和拮抗作用,并从中选取了一条进化上有利的路径进行研究。作者对该路径中的突变体进行了晶体结构研究,并成功解析了单突变L437T的晶体结构。在此基础上,采用量子化学计算的方法对最优进化路径中的野生酶及四个突变酶的反应路径和选择性进行了计算模拟,通过对生成不同产物对应的过渡态结构进行分析,精确解析了进化路径中区域选择性的翻转机制。尤为值得关注的是,研究发现定向进化路径中的不同突变会影响Criegee过渡态中间体的立体构型,进而影响反应的区域选择性。

该研究解析了Baeyer-Villiger单加氧酶区域选择性的控制机制,为该类酶区域选择性的定向改造奠定了基础。特别是本研究发现了不同突变的引入可通过影响Criegee过渡态中间体的立体构型,从而影响反应的区域选择性,这对同样存在手性过渡态中间体的酶,如酯酶、蛋白酶和转氨酶等的研究具有重要的借鉴和指导意义。

ACS Catal.202212, 3669–3680, DOI: 10.1021/acscatal.2c00415

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