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A Standalone Flavoprotein Monooxygenase Directs Divergent Tropolone Skeletal Editing through Baeyer–Villiger-Triggered Rearrangement

化学 黄蛋白 立体化学 对流层酮 单加氧酶 活动站点 生物化学 酶 氧化还原酶 合理设计 定向进化 蛋白质工程 黄素组 蛋白质结构 结构母题 质子化 元动力学 天然产物 加氧酶 分子模型 生物合成 辅因子 异构酶 裂解酶 酶催化 基质(水族馆) 生物催化
作者
Ziang Chen,Jiawang Liu,Songlin Bai,Xinjia Wang,Chen Zhang,Bingyu Liu,Xiangbing Qi,Youcai Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c16678
摘要

Abstract Late-stage oxidative remodeling of tropolone cores underpins the remarkable scaffold diversity in fungal meroterpenoid biosynthesis. However, the mechanistic basis by which a single enzymatic catalyst diverts a common substrate toward carbon-excising ring contraction versus carbon-retentive skeletal rearrangement remains elusive. Here, via comparative transcriptomics and targeted gene deletion, we identified a standalone host-encoded class A flavoprotein monooxygenase, ANIA_01821 (AN1821), as indispensable for tropolone ring remodeling in Aspergillus nidulans. A functionally homologous enzyme, AO090103000276 (AO276), from Aspergillus oryzae was further characterized as a tractable biocatalyst for in vitro studies. Reconstitution assays using purified AO276 revealed that this single flavoprotein monooxygenase alone converts the bistropolone meroterpenoid eupenifeldin into both ring-contracted phenolic products and carbon-retentive bridged polycycles, establishing a unified enzymatic origin for two structurally distinct natural-product scaffolds. Structure-guided mutagenesis uncovered a precisely organized electrostatic network that is critical for flavin-dependent oxygenation. Complementary well-tempered metadynamics simulations and quantum-chemical calculations support a Baeyer–Villiger branching mechanism, wherein the AO276 active site may preferentially stabilize alternative migration-competent conformations of a putative Criegee intermediate. Each conformation aligns a distinct C–C bond in an antiperiplanar geometry relative to the O–O bond; restricted conformational interconversion within the active site could preserve the initial reactive geometry and bias divergent carbon migration. Collectively, our findings identify conformational preorganization as a plausible contributor to regiodivergent enzymatic Baeyer–Villiger catalysis, offering a rational strategy for steering oxidative skeletal remodeling in complex natural product molecules.
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