Creation of Bioorthogonal Redox Systems Depending on Nicotinamide Flucytosine Dinucleotide

NAD+激酶 辅因子 化学 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 生物化学 生物正交化学 脱氢酶 组合化学 点击化学
作者
Debin Ji,Lei Wang,Shuhua Hou,Wujun Liu,Jinxia Wang,Qian Wang,Zongbao K. Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:133 (51): 20857-20862 被引量:91
标识
DOI:10.1021/ja2074032
摘要

Many enzymes catalyzing biological redox chemistry depend on the omnipresent cofactor, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD). NAD is also involved in various nonredox processes. It remains challenging to disconnect one particular NAD-dependent reaction from all others. Here we present a bioorthogonal system that catalyzes the oxidative decarboxylation of l-malate with a dedicated abiotic cofactor, nicotinamide flucytosine dinucleotide (NFCD). By screening the multisite saturated mutagenesis libraries of the NAD-dependent malic enzyme (ME), we identified the mutant ME-L310R/Q401C, which showed excellent activity with NFCD, yet marginal activity with NAD. We found that another synthetic cofactor, nicotinamide cytosine dinucleotide (NCD), also displayed similar activity with the ME mutants. Inspired by these observations, we mutated d-lactate dehydrogenase (DLDH) and malate dehydrogenase (MDH) to DLDH-V152R and MDH-L6R, respectively, and both mutants showed fully active with NFCD. When coupled with DLDH-V152R, ME-L310R/Q401C required only a catalytic amount of NFCD to convert l-malate. Our results opened the window to engineer bioorthogonal redox systems for a wide variety of applications in systems biology and synthetic biology.
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