Scalable and Stereoselective C–H Bond Hydroxylation of Steroids Using a Designer Heme-Thiolate Peroxygenase Biocatalyst

化学 立体选择性 对映体药物 生物催化 羟基化 立体化学 氨基酸 组合化学 细胞色素P450 酶催化 蛋白质工程 有机化学 活动站点 氢键 代谢中间体 化学合成 定向进化 反应性(心理学) 细胞色素 单加氧酶 均分解 立体异构 肽键 对映体过量 人工酶
作者
Oghenesivwe Osiebe,Eva F. Hayball,Nikita S. Yevstigneyev,Annalise M. Abbott,Stephen G. Bell
出处
期刊:Journal of Organic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:91 (2): 1165-1176 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.joc.5c02818
摘要

A challenging yet critical reaction in chemical synthesis is the selective activation of unactivated carbon-hydrogen bonds in complex molecules. Here we demonstrate the biocatalytic regio- and stereoselective hydroxylation of steroids, including progesterone, testosterone, adrenosterone, androstenedione, and dehydroepiandrosterone (DHEA), using a variant of an engineered bacterial cytochrome P450 enzyme, CYP154C35 from Nocardia otitidiscaviarum. We replaced two amino acid residues within the oxygen-binding groove of the I-helix, and this modification of the acid-alcohol pair to a glutamine and a glutamate set of residues had the effect of converting the enzyme into an efficient peroxygenase (CYP154C35QE). This enzyme performed the biocatalytic oxidation of the steroids stereoselectively to form the 16α-hydroxylated metabolites. In the presence of a substrate, CYP154C35QE was stable to relatively high concentrations of H2O2 but could function catalytically using lower concentrations. The enzyme tolerated 20% DMSO and was not denatured upon being preheated for 1 h at 40 °C. The enzyme was capable of high turnover numbers (∼6500), resulting in complete conversion of the substrate, enabling the formation, purification, and characterization of the enantiopure 16α-hydroxylated steroids at up to 120 mg scale.
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