Balancing Consecutive Two-Step Oxidations Catalyzed by a Single Cytochrome P450 Enables Efficient Biosynthesis of Plant Natural Products

催化作用 化学 生物合成 细胞色素P450 生物化学 细胞色素 组合化学 立体化学 有机化学 羟基化 自然(考古学) 生物催化 底物特异性 立体选择性 单加氧酶 基质(水族馆)
作者
Yilin Chen,Zhiwei Deng,Yan Zhang,Zhenbo Yuan,Changmei Liu,Zhengshan Luo,Y. Manjula Rao
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 1617-1627
标识
DOI:10.1021/acssynbio.6c00016
摘要

Consecutive two-step oxidations catalyzed by a single cytochrome P450 are often reported in the biosynthesis of plant natural products (PNPs). However, due to unbalanced catalytic activity, intermediates and byproducts are always substantially accumulated, creating a major bottleneck in the efficient heterologous synthesis of many important PNPs. Despite this, efforts to balance these consecutive two-step oxidations to enhance the production of final PNPs are often overlooked. Here, guided by rational design, we engineered RoCYP01 by modulating substrate/product channels, enzyme–substrate interactions, the electron transfer chain, and O2/H2O exchange tunnels, effectively rebalancing the consecutive two-step oxidations from R–CH3 to R–CH2OH to R–COOH. Consequently, the product, betulinic acid, was greatly improved in an engineered yeast strain, substantially reducing the accumulation of intermediates. Thus, this work establishes a mechanism-driven strategy to rebalance consecutive two-step oxidations, providing a potential strategy for the efficient biosynthesis of other PNPs that involve P450-catalyzed consecutive two-step oxidations.
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