Controlling Monoterpene Isomerization by Guiding Challenging Carbocation Rearrangement Reactions in Engineered Squalene‑Hopene Cyclases

碳阳离子 异构化 单萜 角鲨烯 化学 生物催化 立体化学 有机化学 催化作用 反应机理
作者
Julian Ludwig,Christian Curado‐Carballada,Stephan C. Hammer,Andreas Schneider,Svenja Diether,Nico Kreß,Sergi Ruiz‐Barragán,Sílvia Osuna,Bernhard Hauer
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202318913
摘要

Abstract The interconversion of monoterpenes is facilitated by a complex network of carbocation rearrangement pathways. Controlling these isomerization pathways is challenging when using common Brønsted and Lewis acid catalysts, which often produce product mixtures that are difficult to separate. In contrast, natural monoterpene cyclases exhibit high control over the carbocation rearrangement reactions but are reliant on phosphorylated substrates. In this study, we present engineered squalene‐hopene cyclases from Alicyclobacillus acidocaldarius ( Aac SHC) that catalyze the challenging isomerization of monoterpenes with unprecedented precision. Starting from a promiscuous isomerization of (+)‐β‐pinene, we first demonstrate noticeable shifts in the product distribution solely by introducing single point mutations. Furthermore, we showcase the tuneable cation steering by enhancing (+)‐borneol selectivity from 1 % to >90 % (>99 % de ) aided by iterative saturation mutagenesis. Our combined experimental and computational data suggest that the reorganization of key aromatic residues leads to the restructuring of the water network that facilitates the selective termination of the secondary isobornyl cation. This work expands our mechanistic understanding of carbocation rearrangements and sets the stage for target‐oriented skeletal reorganization of broadly abundant terpenes.

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