Biosynthesis of Unnatural Cyclodipeptides through Genetic Code Expansion and Cyclodipeptide Synthase Evolution

化学 遗传密码 非核糖体肽 计算生物学 合成生物学 氨酰tRNA合成酶 生物分子 定向进化 蛋白质工程 纳米技术 生物合成 氨基酸 组合化学 生物化学 转移RNA 核糖核酸 基因 生物 材料科学 突变体
作者
Yu Lin Hu,Linqi Cheng,Y. N. Liu,Rui Liu,Shiyu Jiang,Teng Yuan,Yixian Wang,Haoxin Ye,Han Xiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (38): 34517-34526
标识
DOI:10.1021/jacs.5c08627
摘要

Genetic code expansion (GCE) technology has primarily been devoted to the introduction of noncanonical amino acids (ncAAs) into ribosomally synthesized proteins or peptides. Its potential for modifying nonribosomal natural products remains unexplored. In this study, we introduce a novel strategy that integrates GCE with the directed evolution of cyclodipeptide synthase (CDPS) to engineer a new class of CDPSs capable of biosynthesizing cyclodipeptides containing ncAAs. Using this approach, we achieve the efficient incorporation of 4-azido-l-phenylalanine into AlbC-derived cyclodipeptides, generating a diverse array of new-to-nature cyclodipeptides. Molecular dynamics simulations and binding free energy calculations provide insights into the potential catalytic mechanisms responsible for the enhanced recognition of ncAA-tRNAs by engineered CDPS variants. Furthermore, we expand the substrate scope to additional ncAAs and extend this approach to other CDPSs, enabling the creation of an even broader range of novel compounds. Together, these findings reveal the significant potential of GCE technology to precisely engineer biomolecules beyond proteins, unlocking new structural and functional diversity.
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