Nonheme Fe Enzyme‐Catalyzed Enantiodivergent Nitrogen Migration: Directed Evolution and Computational Study of Isopenicillin N Synthases for Biocatalytic Synthesis of Arylglycines

化学 定向进化 生物催化 基质(水族馆) 立体化学 分子动力学 催化作用 氮原子 活动站点 对映选择合成 酶动力学 ATP合酶 组合化学 过渡状态 底物特异性 动力学 立体异构 氮气 氢键 突变体 生物化学 密度泛函理论 手性(物理) 蛋白质工程 酶催化 生物合成 结合位点
作者
Ken Lin,L. Zhao,Shengchun Wang,Huichong Liu,Yu Zhang,Binh Khanh Mai,Peng Liu,Yang Yang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (6): e24718-e24718 被引量:3
标识
DOI:10.1002/anie.202524718
摘要

Abstract We describe the reprogramming and directed evolution of nonheme Fe enzyme isopenicillin N synthase (IPNS) as an efficient biocatalyst for 1,3‐nitrogen migration reactions via an unnatural mechanism. Directed evolution of isopenicillin N synthase from Emericella nidulans furnished a quadruple mutant ( Eni IPNS V185L I187V S102I R279H, IPNS Nim ), enabling the conversion of a range of azanyl esters into N ‐protected l ‐arylglycines. IPNS Nim achieved a TTN of 16 000 and a TOF of 1200 min −1 . This TTN surpassed state‐of‐the‐art small‐molecule Fe catalysts by 330‐fold and represented the highest TTN value reported for a nonheme Fe enzyme in a new‐to‐nature reaction. IPNS Nim and our previously evolved ACCO Nim (ACCO: 1‐aminocyclopropane‐1‐carboxylic acid oxidase) exhibited complementary enantiopreference, allowing enantioselective synthesis of either l ‐ or d ‐arylglycines—essential building blocks in clinically important peptide therapeutics. Mechanistic studies revealed a biocatalyst‐controlled switch in the rate‐determining step (RDS): While the hydrogen atom transfer (HAT) step is the RDS for ACCO Nim ‐catalyzed nitrogen migration, it is likely not with IPNS Nim . Moreover, while ACCO Nim exhibits almost no enantioselectivity in this HAT step, IPNS Nim confers excellent enantiocontrol over HAT. Computational studies using density functional theory calculations and molecular dynamics simulations suggested that IPNS and ACCO adopt two different substrate binding modes. Classical MD simulations shed light on important interactions between the substrate and active‐site residues that control the substrate binding mode and enantioselectivity.
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