Natural and Engineered Regioselective O -Demethylation with Enantioselective Substrate Recognition by Fe(II)/2-Oxoglutarate-Dependent Oxygenases in Corydalmine Biosynthesis

区域选择性 化学 对映选择合成 加氧酶 基质(水族馆) 催化作用 生物合成 立体化学 组合化学 底物特异性 生物化学 立体异构 双加氧酶 生物催化 立体选择性 有机化学
作者
Yuzhuang Fu,Kejin Zhu,Fuwen Liang,Wenli Wang,Shanyong Yi,Huihui Zeng,Xingchen Lu,Libo Zhang,Jiaxin He,Wanqiu Liu,Xiaojing Ma,Dingqiao Xu,Bangxing Han,Jian Xu,Yucheng Zhao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c00838
摘要

Despite the broad reactivity of Fe(II)/2-oxoglutarate-dependent (Fe/2OG) enzymes, the basis for achieving selective O -demethylation remains a challenge. Levo -corydalmine ( S -CDL), a rare benzylisoquinoline alkaloid with potent non-opioid analgesic activity comparable to morphine, exemplifies this challenge. Here, we uncover a counterintuitive biosynthetic strategy in Corydalis yanhusuo involving early methylation followed by selective oxidative demethylation. Building on this hypothesis, we identify and engineer two Fe/2OG oxygenases, ODM4 and ODM5, capable of O -demethylating ( S )-tetrahydropalmatine ( S -THP), yet exhibiting distinct regioselective preferences. ODM4 favors C-10 O -demethylation to produce S -CDL as the major product, whereas ODM5 is functionally specialized for C-2 O -demethylation, leading exclusively to the formation of ( S )-tetrahydrojatrorrhizine ( S -THJ). Structural and computational analyses suggest that these preferences are dictated by substrate binding orientation and active site conformational constraints, with Leu113, Arg201, and Val225 as key determinants. Targeted mutagenesis of ODM4 yielded the M2 (L113A/R201A) variant that exhibits improved catalytic efficiency toward S -CDL formation while minimized off-pathway activity. Engineered ODM5 variants similarly acquired S -CDL activity absent in the wild type. These findings elucidate the molecular basis of selective O -demethylation and establish a design strategy for engineering selective oxidative tailoring enzymes in alkaloid biosynthesis.
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