Molecular Insights into the Regioselectivity of the Fe(II)/2-Ketoglutarate-Dependent Dioxygenase-Catalyzed C–H Hydroxylation of Amino Acids

羟基化 双加氧酶 催化作用 区域选择性 化学 选择性 氨基酸 基质(水族馆) 去甲亮氨酸 立体异构 立体化学 组合化学 有机化学 生物化学 亮氨酸 生物 生态学
作者
Lunjie Wu,Jianhong An,Xiaoran Jing,Chun‐Chi Chen,Longhai Dai,Yan Xu,Weidong Liu,Rey‐Ting Guo,Yao Nie
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (19): 11586-11596 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c03106
摘要

l-Isoleucine dioxygenase (IDO) directly catalyzes the C–H bond hydroxylation of several hydrophobic aliphatic amino acids. However, the ambiguous selectivity of IDO prevents its application in chiral hydroxy amino acid production. The hydroxylation of l-norleucine by IDO, which produces 4-hydroxynorleucine and 5-hydroxynorleucine with obvious regioselectivity, was used to investigate the mechanism of IDO regioselectivity. Along with computational structural analysis and high-throughput screening, the IDO structure revealed single-site variants (T244A, T244G, and T244S) with enhanced regioselectivity; for example, the 4-hydroxynorleucine purity in regioisomeric products increased from 78.9% (by wild-type IDO) to 95.1%, 96.6%, and 95.3%, respectively. Molecular dynamics simulations showed that mutating T244 into smaller amino acids fine-tuned the substrate binding pose. For asymmetric catalysis requiring precise positioning, this change expanded the most frequent distances between the substrate C4 or C5 and Fe2+, giving a maximum 4-hydroxynorleucine purity of 96.6%. We improved the understanding of the regioselectivity of Fe(II)/2-ketoglutarate-dependent dioxygenases and provide a route for diversifying C–H hydroxylation-based active compounds.
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