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Engineering of Redox‐Active Residues Enhances P450 Peroxygenase Performance

蛋白质工程 合理设计 化学 氧化剂 血红素 羟基化 催化作用 组合化学 酶 催化效率 活动站点 细胞色素P450 合成生物学 生物催化 定向进化 立体化学 蛋白质结构 血红素蛋白 铁 药物设计 细胞色素 蛋白质设计 酶催化 结构生物学 枯草杆菌素 氧化磷酸化
作者
Zihan Wang,Mingming Qin,Yongchao Wang,Fuquan Yao,Zhengyi Zhang,Hui Wang,Xiangquan Qin,Binju Wang,Fuli Li,Zhiqi Cong
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.3845288
摘要

Cytochrome P450 peroxygenases depend on the high-valent iron-oxo intermediate Compound I (Cpd I) to activate C-H bonds. However, the nonproductive oxidative damage caused by Cpd I compromises enzyme stability and limits catalytic efficiency. Here, we report a rational protein engineering strategy to address this bottleneck by constructing additional "hole traps" on the enzyme surface. Guided by structural analysis, we introduced redox-active tyrosine/tryptophan residues at spatially defined positions on the surface of the P450BM3 F87A mutant. The optimal engineered variant M8 (F87A/L215W/H408W) significantly enhances turnover numbers (TONs) across a range of peroxide-driven hydroxylation reactions of aliphatic and aromatic substrates. Steady-state kinetics, reductant supplementation assays, and half-life measurements consistently indicated that the introduced Trp residues play a crucial protective role, improving both catalytic output and enzyme robustness. The crystal structure of M8 revealed that the mutations facilitate an expanded local network of π-π interactions, forming efficient surface hole traps. This strategy was then demonstrated to efficiently improve the catalytic performance of two engineered CYP199A4 peroxygenase variants (F182A and D251Q/T252E). These findings establish the rational construction of auxiliary hole traps as an effective strategy to enhance P450 peroxygenase performance, with potential applicability to other heme and even broad oxidizing enzymes.
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