Engineering an efficient and enantioselective enzyme for the Morita–Baylis–Hillman reaction

化学 对映选择合成 亲核细胞 催化作用 定向进化 组合化学 生物催化 贝利斯-希尔曼反应 蛋白质设计 立体化学 有机化学 反应机理 蛋白质结构 生物化学 基因 突变体
作者
Rebecca Crawshaw,Amy E. Crossley,Linus O. Johannissen,Ashleigh J. Burke,Sam Hay,Colin Levy,David Baker,Sarah L. Lovelock,Anthony P. Green
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:14 (3): 313-320 被引量:104
标识
DOI:10.1038/s41557-021-00833-9
摘要

The combination of computational design and directed evolution could offer a general strategy to create enzymes with new functions. So far, this approach has delivered enzymes for a handful of model reactions. Here we show that new catalytic mechanisms can be engineered into proteins to accelerate more challenging chemical transformations. Evolutionary optimization of a primitive design afforded an efficient and enantioselective enzyme (BH32.14) for the Morita-Baylis-Hillman (MBH) reaction. BH32.14 is suitable for preparative-scale transformations, accepts a broad range of aldehyde and enone coupling partners and is able to promote selective monofunctionalizations of dialdehydes. Crystallographic, biochemical and computational studies reveal that BH32.14 operates via a sophisticated catalytic mechanism comprising a His23 nucleophile paired with a judiciously positioned Arg124. This catalytic arginine shuttles between conformational states to stabilize multiple oxyanion intermediates and serves as a genetically encoded surrogate of privileged bidentate hydrogen-bonding catalysts (for example, thioureas). This study demonstrates that elaborate catalytic devices can be built from scratch to promote demanding multi-step processes not observed in nature.
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