Enabling Peroxygenase Activity in Cytochrome P450 Monooxygenases by Engineering Hydrogen Peroxide Tunnels

化学 单加氧酶 蛋白质工程 血红素 细胞色素P450 过氧化氢 血红素蛋白 基质(水族馆) 定向进化 组合化学 分子工程 酶 立体化学 生物化学 有机化学 突变体 生态学 基因 生物
作者
Panxia Zhao,Fanhui Kong,Yiping Jiang,Xiangquan Qin,Xiaoxia Tian,Zhiqi Cong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (9): 5506-5511 被引量:77
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00195
摘要

Given prominent physicochemical similarities between H2O2 and water, we report a new strategy for promoting the peroxygenase activity of P450 enzymes by engineering their water tunnels to facilitate H2O2 access to the heme center buried therein. Specifically, the H2O2-driven activities of two native NADH-dependent P450 enzymes (CYP199A4 and CYP153AM.aq) increase significantly (by >183-fold and >15-fold, respectively). Additionally, the amount of H2O2 required for an artificial P450 peroxygenase facilitated by a dual-functional small molecule to obtain the desired product is reduced by 95%–97.5% (with ∼95% coupling efficiency). Structural analysis suggests that mutating the residue at the bottleneck of the water tunnel may open a second pathway for H2O2 to flow to the heme center (in addition to the natural substrate tunnel). This study highlights a promising, generalizable strategy whereby P450 monooxygenases can be modified to adopt peroxygenase activity through H2O2 tunnel engineering, thus broadening the application scope of P450s in synthetic chemistry and synthetic biology.
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