Engineered P450 Atom-Transfer Radical Cyclases are Bifunctional Biocatalysts: Reaction Mechanism and Origin of Enantioselectivity

化学 生物催化 部分 立体化学 对映选择合成 血红素 QM/毫米 组合化学 双功能 反应机理 计算化学 分子动力学 催化作用 有机化学
作者
Yue Fu,Heyu Chen,Wen‐Zhen Fu,Marc Garcia‐Borràs,Yang Yang,Peng Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (29): 13344-13355 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.2c04937
摘要

New-to-nature radical biocatalysis has recently emerged as a powerful strategy to tame fleeting open-shell intermediates for stereoselective transformations. In 2021, we introduced a novel metalloredox biocatalysis strategy that leverages the innate redox properties of the heme cofactor of P450 enzymes, furnishing new-to-nature atom-transfer radical cyclases (ATRCases) with excellent activity and stereoselectivity. Herein, we report a combined computational and experimental study to shed light on the mechanism and origins of enantioselectivity for this system. Molecular dynamics and quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations revealed an unexpected role of the key beneficial mutation I263Q. The glutamine residue serves as an essential hydrogen bond donor that engages with the carbonyl moiety of the substrate to promote bromine atom abstraction and enhance the enantioselectivity of radical cyclization. Therefore, the evolved ATRCase is a bifunctional biocatalyst, wherein the heme cofactor enables atom-transfer radical biocatalysis, while the hydrogen bond donor residue further enhances the activity and enantioselectivity. Unlike many enzymatic stereocontrol rationales based on a rigid substrate binding model, our computations demonstrate a high degree of rotational flexibility of the allyl moiety in an enzyme-substrate complex and succeeding intermediates. Therefore, the enantioselectivity is controlled by the radical cyclization transition states rather than the substrate orientation in ground-state complexes in the preceding steps. During radical cyclization, anchoring effects of the Q263 residue and steric interactions with the heme cofactor concurrently control the π-facial selectivity, allowing for highly enantioselective C-C bond formation. Our computational findings are corroborated by experiments with ATRCase mutants generated from site-directed mutagenesis.
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