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Mechanism-guided tunnel engineering to increase the efficiency of a flavin-dependent halogenase

卤化 黄素组 化学 活动站点 分子动力学 色氨酸 蛋白质工程 组合化学 催化作用 立体化学 计算化学 氨基酸 有机化学 生物化学
作者
Kridsadakorn Prakinee,Aisaraphon Phintha,Surawit Visitsatthawong,Narin Lawan,Jeerus Sucharitakul,Chadaporn Kantiwiriyawanitch,Jir̆ı́ Damborský,P. Chitnumsub,Karl‐Heinz van Pée,Pimchai Chaiyen
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:5 (6): 534-544 被引量:44
标识
DOI:10.1038/s41929-022-00800-8
摘要

Although flavin-dependent halogenases (FDHs) are attractive for C–H bond activation, their applications are limited due to low turnover and stability. We have previously shown that leakage of a halogenating intermediate, hypohalous acid (HOX), causes FDHs to be inefficient by lessening halogenation yield. Here we employed a mechanism-guided semi-rational approach to engineer the intermediate transfer tunnel connecting two active sites of tryptophan 6-halogenase (Thal). This Thal-V82I variant generates less HOX leakage and possesses multiple catalytic improvements such as faster halogenation, broader substrate utilization, and greater thermostability and pH tolerance compared with the wildtype Thal. Stopped-flow and rapid quench kinetics analyses indicated that rate constants of halogenation and flavin oxidation are faster for Thal-V82I. Molecular dynamics simulations revealed that the V82I substitution introduces hydrophobic interactions which regulate tunnel dynamics to accommodate HOX and cause rearrangement of water networks, allowing better use of various substrates than the wildtype. Our approach demonstrates that an in-depth understanding of reaction mechanisms is valuable for improving efficiency of FDHs.
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